Day1-数据结构与算法-队列

一.队列的概念

• 先进先出

• 有序链表，可用数组或链表实现

• 数组模拟队列：

  本身是有序列表，需要两个变量front首指针和rear尾指针，maxsize代表队列最大容量

  • front=rear时队列为空
  • rear=maxsize-1时队列为满

• 这样实现是否有问题？

二.数组模拟队列

编写代码来实现一下数组模拟队列，首先编写一个ArrayQueue类，定义队列的一些基本操作方法：

package com.Queue;

public class ArrayQueue {
    private int maxSize;//队列的最大容量
    private int front;//队列头部
    private int rear;//队列尾
    private int[] arr;//数组模拟队列

    //创建队列的构造器
    public ArrayQueue(int arrmaxSize) {
        maxSize = arrmaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1;
        rear = -1;//初始化
    }

    //判断队列是否为满
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

    //判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    //添加数据到队列
    public void addQueue(int n) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满，不能加入数据");
            return;
        }
        rear++;//rear后移
        arr[rear] = n;
    }

    //从队列中拿取数据（出队列）
    public int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空，无法取得数据");//抛异常
        }
        front++;
        return arr[front];
    }

    //显示所有队列数据
    public void show() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("没有数据");
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
        }
    }
}

然后编写一个main函数来进行测试：

package com.Queue;
import com.Queue.ArrayQueue;

import java.util.Scanner;

public class main {
    public static void main(String[] args){
        ArrayQueue queue=new ArrayQueue(3);
        char key=' ';//接受用户输入
        Scanner scanner=new Scanner(System.in);
        boolean loop=true;
        while(loop){
            System.out.println("s(show):显示队列");
            System.out.println("a(add):添加队列");
            System.out.println("g(get):获取队列");
            System.out.println("e(exit):退出");
            key=scanner.next().charAt(0);//接受一个字符
            switch(key){
                case 's':
                    queue.show();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数据");
                    int value=scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try{
                        int res= queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d",res);
                    }catch(Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop=false;
                    break;

            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

运行结果：

s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
a
请输入一个数据
1
s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
a
请输入一个数据
2
s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
a
请输入一个数据
3
s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
s
arr[0]=1
arr[1]=2
arr[2]=3
s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
g
取出的数据是1s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
g
取出的数据是2s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出
g
取出的数据是3s(show):显示队列
a(add):添加队列
g(get):获取队列
e(exit):退出

好像没有问题，但真的是这样吗？
此时输入s显示一下队列，会发现结果是：

s
没有数据
arr[0]=1
arr[1]=2
arr[2]=3

明明显示了没有数据，但是数组的三个位置仍然是刚才输入的值，这是为什么呢？其实是因为之前方法中取数据的方法只获得了应该取得数据，但并没有将数组中那个位置的数据真的取出来，也就导致了此时再加数据会显示队列已满。

怎么解决？
将原来的队列变成一个臆想中的环形队列(空间复用)
对front和rear两个变量的意义做如下调整：

• front改为指向队列的第一个元素,初始值改为0
• rear改为指向队列最后一个元素的后一个位置，空出来的位置作为一个约定，初始值改为0
  则队列满时的判断条件应改为：

（rear+1） % maxSize = front

队列为空时的判断条件没有发生变化，仍然是：

rear == front

此时判断队列中有效元素的个数应使用如下公式：

(rear+maxSize-front)%maxSize

其实是通过取模运算，将原来的队列臆想成了一个环形队列，并通过对两个变量的调整重新判断他的空或满，从而避免了空间不能重复使用的弊端。
值得注意的是，使用数组模拟队列在初始化的时候队列一定有一个确定的长度上限maxSize，由于不能动态分配存储空间。若用户无法预估队列的最大长度，则应该使用接下来要讲到的单链表模拟队列。