数据结构与算法-队列

队列

• 简介：

  • 队列是一个有序列表，可以用数组或者链表来实现
  • 遵循先入先出的原则，即：先存入队列的数据要先取出，后存入的要后取出

• 数组模拟队列

  • 队列本身是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则队列数组的声明如下图，其中maxSize是该队列的最大容量
  • 因为队列的输出、输入是分别从前后端来处理，因此需要两个变量front及rear分别记录队列前后端的下标，front会随着数据输出而改变，而rear则是随着数据输入而改变，如图：
    
  • 数据存入队列称为“addQueue”, addQueue的处理需要两个步骤：
    1. 将尾指针向后移：rear+1，当front == rear 【空】
    2. 若尾指针rear小于队列的最大下标maxSize-1，则将数据存入rear所指的数组元素中，否则无法存入数据。rear == maxSize-1【队列满】
    3. 注意：rear是队列最后（指向队列尾的数据（即就是队列最后一个数据））【含】，front是队列最前元素（front是指向队列头的前一个位置）【不含】

• 代码

package com.atguigu.queue;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' '; // 接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("e(exit): 退出程序");
            System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
            System.out.println("g(get): 从队列中取出数据");
            System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0); // 接收一个字符
            switch (key) {
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数: ");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':   // 查看队列头的数据
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':   // 退出
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出~~");
    }

}

// 使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue {
    private int maxSize; // 表示数组的最大容量
    private int front;  // 队列头
    private int rear;   // 队列尾
    private int[] arr;  // 该数据用于存放数据，模拟队列

    // 创建队列的构造器
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1; // 指向队列头部. 分析出front是指向队列头的前一个位置
        rear = -1; // 指向队列尾，指向队列尾的数据（即就是队列最后一个数据）
    }

    // 判断队列是否满
    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) {
        // 判断队列是否满
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满, 不能添加数据");
        }

        rear++; // rear后移
        arr[rear] = n;  // 这两句等同于 arr[++rear] = n;
    }

    // 获取队列数据，出队列
    public int getQueue() {
        // 判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            // 通过抛出异常
            throw new RuntimeException("队列空，不能获取数据");
        }
        front++; // front后移
        return arr[front];
    }

    // 显示队列的所有数据
    public void showQueue() {
        // 遍历
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列是空的，没有数据");
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
        }
    }

    // 显示队列的头数据，注意不是取数据
    public int headQueue() {
        // 判断
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列是空的，没有数据");
        }
        return arr[front + 1];
    }
}

• 数组模拟环形队列

  • 思路：
    1. front变量的含义做一个调整：front就指向队列的第一个元素，也就是说arr[front]就是队列的第一个元素front的初始值=0
    2. rear变量的含义做一个调整：rear指向队列的最后一个元素的后一个位置。因为希望空出一个空间作为约定，rear的初始值=0
    3. 当队列满时，条件是（rear+1）%maxSize==front【满】(尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队列容量空出一个作为约定)
    4. 对队列为空的条件，rear==front【空】
    5. 队列中有效的数据的个数：（rear+maxSize-front）%maxSize

• 代码示例

package com.atguigu.queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例");
        // 创建一个环形队列
        CircleArray queue = new CircleArray(4); // 设置为4，其队列有效数据最大是3（最后一个约定为空）
        char key = ' '; // 接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("e(exit): 退出程序");
            System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
            System.out.println("g(get): 从队列取出数据");
            System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
            key = scanner.next().charAt(0); // 接收一个字符
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("输出一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':   // 取出数据
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':   // 查看队列头的数据
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':   // 退出
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出...");
    }
}

class CircleArray {
    private int maxSize;    // 表示数组的最大容量
    // front就指向队列的第一个元素 front初始值为0
    private int front;
    // rear指向队列的最后一个元素的后一个位置 rear的初始值为0
    private int rear;   // 队列尾
    private int[] arr;  // 该数组用于存放数据，模拟队列

    public CircleArray(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
    }

    // 判断队列是否满
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    // 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) {
        // 判断队列是否满
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满，不能加入数据");
        }
        // 直接将数据加入
        arr[rear] = n;
        // 将rear后移，这里必须考虑取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    // 获取队列的数据，出队列
    public int getQueue() {
        // 判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            // 通过抛出异常
            throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
        }
        // 这里需分析出front是只想队列的第一个元素
        // 1. 先把front对应的值保留到一个临时变量
        // 2. 将front后移，考虑取模
        // 3. 将临时保存的变量返回
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    // 显示队列的所有数据
    public void showQueue() {
        // 遍历
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列空的，没有数据");
        }
        // 从front开始遍历
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }

    // 求出当前队列有效数据的个数
    public int size() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    // 显示队列的头数据，注意不是取出数据
    public int headQueue() {
        // 判断
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列是空的，没有数据");
        }
        return arr[front];
    }
}