队列

2022-01-20

队列

1. 队列介绍

队列是一个有序列表，可以使用数组或链表来实现
遵循先入先出的原则。即：先存入队列的数据，要先取出，后存入的后取出
示意图（使用数组模拟队列）

2. 数组模拟队列

如上图所示，maxSize是该队列的最大容量，front记录队列前端，当有元素出队时变化，rear记录队列后端，当有元素入队时变化

# 	一些需要明确的条件
	
	队列满：rear = maxSize - 1
	队列空: rear = front
	front指向队列首元素的前一个位置
	初始状态front = -1  rear = -1(便于元素入队和出队)
# 具备的功能
	判断是否已满isFull()
	判断是否为空isEmpty()
	入队addQueue(int n)
	出队getQueue()
	显示队列首元素headQueue()
	展示队列中的有效元素showQueue()

代码实现：

package codeX.Queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author yhc
 */
public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' ';//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        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 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数字");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据是：" + res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try{
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("队列头的数据是：" + res);
                    }catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

//使用数组模拟队列
class ArrayQueue {
    private int maxSize;//表示数组的最大容量
    private int front;//指向队列头
    private int rear;//队列尾
    private int[] arr;//该数组用来模拟队列，存放数据

    //创建队列的构造器
    public ArrayQueue(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1;//指向队列头的前一个位置
        rear = -1;
    }

    //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("队列已满，不能加入数据");
            return;
        }
        rear++;//rear后移
        arr[rear] = n;//添加数据
    }

    //数据出队列
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if(isEmpty()){
            //System.out.println("队列是空的，无法取出数据");
            throw new RuntimeException("队列是空的，无法取出数据");
        }
        front++;
        return arr[front];
    }
    //显示队列的所有数据
    public void showQueue(){
        //遍历arr
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列是空的");
            return;
        }

        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，不是取出数据
    public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列是空的，无法展示头数据");
        }
        return arr[front + 1];
    }
}

该‘’队列存在的问题‘’：

目前数组使用一次后就无法再使用了，没有达到复用的效果
将该数组修改为环形队列以后就可以使用了，需要用到取模运算 %

3. 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，因此将数组看作是一个环形的(通过取模的方式来实现即可)

取模运算的作用：让一个数据的大小始终在循环范围内。

需要做的调整入下：

# 思路如下
	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arr[front]就是队列的第一个元素,front的初始值是0
	
	2.rear变量的含义做一个调整,rear指向最后一个元素的后一个位置，`留出一个空间组为约定`
	rear的初始值为0

# 一些需要明确的条件
	1.队列已满 (rear+1)%maxSize = front
	2.队列为空 rear = front
	3.队列中有效元素的个数 (rear - front + maxsize) % maxSize

代码如下：

package codeX.CircleArrayQueue;

import com.sun.jmx.remote.internal.ArrayQueue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @author yhc
 */
public class CircleQueue {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        System.out.println("测试数组模拟环形队列~~~~~~~~~~~");
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        char key = ' ';
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        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 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数字");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据是：" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("队列头的数据是：" + res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

//用数组模拟环形队列
class CircleArrayQueue {
    private int maxSize;
    private int front;//指向队列的首元素
    private int rear;//指向最后一个元素的后一个位置
    private int[] arr;

    public CircleArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = 0;
        rear = 0;
    }

    //判断队列是否已满
    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) {
        //判断队列是否已满
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列已满，不能加入数据");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    //数据出队列
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        //定义一个临时变量保存当前的数
        int res = arr[front];
        //front后移
        front = (front + 1) % maxSize;
        //返回临时变量
        return res;
    }

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

    }

    //队列中有效数据的个数
    public int numCount() {
        return (rear - front + maxSize) % maxSize;
    }

    //队列头元素
    public int headQueue() {
        return arr[front];
    }
}