算法与数据结构之队列

队列介绍

1. 队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
2. 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

数组模拟队列思路

• 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.
• 当我们将数据存入队列时称为”addQueue”，addQueue 的处理需要有两个步骤：思路分析
  1. 将尾指针往后移：rear+1 , 当 front == rear
  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]

代码实现

package com.atguigu.queue;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
static class  ArrayQueue{
    private int maxsize;
    private int front;
    private int rear;
    private int[] arr;
    public ArrayQueue (int arrMaxSize) {
        maxsize=arrMaxSize;
        arr=new int[maxsize];
        front=-1;//front指向队列头的前一个位置
        rear=-1;//指向队列最后一个数据
        
    }
    public boolean isFull() {
        return rear==maxsize-1;
    }
    public boolean isEmpty(){
        return rear==front;
    }
    public void addQueue(int n) {
        if (isFull()) {
            //System.out.println("队列满，不能加数据");
            throw new RuntimeException("队列满，不能加数据");
            
        }
        rear++;
        arr[rear]=n;
    }
    public int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
        }
        front++;
        
        
        return arr[front];
    }
    public void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列空的，没有数据");
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);
        }
    }
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列空的，没有数据");
            throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
        }
        return arr[front+1];
    }
}
    @SuppressWarnings("resource")
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        char key=' ';
        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):取出队列数据");
            System.out.println("h(head):显示队列头的数据");
            key=scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
            case 's':
                arrayQueue.showQueue();
                break;
            
            case 'a':
                System.out.println("输出一个数");
                try {
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'g':
                try {
                    int res = arrayQueue.getQueue();
                    System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'h':
                try {
                    int res = arrayQueue.headQueue();
                    System.out.printf("队列头数据是%d\t",res);
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'e':
                scanner.close();
                loop=false;
                break;
            default:
                break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
        
    }
}

问题分析并优化

1. 目前数组使用一次就不能用， 没有达到复用的效果
2. 将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列 取模：%

改进数组模拟环形队列

• 对前面的数组模拟队列的优化，充分利用数组. 因此将数组看做是一个环形的。(通过取模的方式来实现即可)

• 分析说明

  1. 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,这个在做判断队列满的 时候需要注意 (rear + 1) % maxSize == front 满

  2. rear == front [空]

  3. 分析示意图:

     

代码实现

package com.atguigu.queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);//队列最大有效数据是3
        char key=' ';
        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):取出队列数据");
            System.out.println("h(head):显示队列头的数据");
            key=scanner.next().charAt(0);
            switch (key) {
            case 's':
                arrayQueue.showQueue();
                break;
            
            case 'a':
                System.out.println("输出一个数");
//                try {
//                    int value = scanner.nextInt();
//                    arrayQueue.addQueue(value);
//                    
//                } catch (Exception e) {
//                    System.out.println(e.getMessage());
//                }
                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) {
                    // TODO: handle exception
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'h':
                try {
                    int res = arrayQueue.headQueue();
                    System.out.printf("队列头数据是%d\t",res);
                } catch (Exception e) {
                    // TODO: handle exception
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'e':
                scanner.close();
                loop=false;
                break;
            default:
                break;
            }    
            
        }
        System.out.println("程序退出");
        
    }

}
class CircleArray{
    private int maxSize;
    private int front;
    private int rear;
    private int[] arr;
    public CircleArray (int arrMaxSize) {
        maxSize=arrMaxSize;
        arr=new int[maxSize];
        
    }
    public boolean isFull() {
        return (rear+1)%maxSize==front;
    }
    public boolean isEmpty() {
        return rear==front;
    }
    public void addQueue(int n) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满，不能加入数据");
            return;
        }
        arr[rear]=n;
        rear=(rear+1)%maxSize;
    }
    public int getQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
        }
        int value=arr[front];
        front=(front+1)%maxSize;
        return value;
    }
    public void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列空，不能显示数据");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front+size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
        }
    }
    public int size() {
        return (rear-front+maxSize)%maxSize;
    }
    public int headQueue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空，没有头数据");
        }
        return arr[front];
    }
    
    
}