• 数组实现环形队列


    1. 简介

    队列是一个有序列表,可以用数组或是链表来实现。
    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
    示意图:(使用数组模拟队列示意图)

    2. 数组模拟队列

    实现思路

    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 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,如图所示:

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

    具体代码如下

    队列代码

    package com.queue;
    
    /**
     * 使用数组模拟队列
     *
     * @author john
     * @date 2019/12/17 - 17:49
     */
    class ArrayQueue {
        private int maxSize; //数组的最大容量
        private int front; //队列头
        private int rear;  //队列尾
        private int[] arr; //该数组用于存放数据,模拟队列
    
        //创建队列的构造器
        public ArrayQueue(int maxSize) {
            this.maxSize = maxSize;
            arr = new int[this.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;  //指向队列尾部,即队列最后一个数据
        }
    
        // 判断队列是否已满
        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) {
            //判断队列是否已满
            if (isFull()) {
                System.out.println("队列已满,不能加入数据了");
                return;
            }
            rear++; //让rear后移
            arr[rear] = n;
        }
    
        // 获取队列的数据,出队列
        public int getQueue() {
            //判断队列是否为空
            if (isEmpty()) {
                //跑出异常
                throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
            }
            front++; //front后移
            return arr[front];
        }
    
        //显示队列的所有数据
        public void showQueue() {
            //为空判断
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("队列空的,没有数据");
                return;
            }
            //遍历
            for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
                System.out.printf("arr[%d]=%d
    ", i, arr[i]);
            }
        }
    
        //显示队列的头数据,不取出数据
        public int headQueue() {
            //为空判断
            if (isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
            }
            return arr[front + 1];
        }
    }
    

    测试代码

    package com.queue;
    
    
    import java.util.Scanner;
    
    /**
     * @author john
     * @date 2019/12/17 - 17:48
     */
    public class ArrayQueueDemo {
        public static void main(String[] args) {
            //  数组模拟队列
            ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
            doLoop(queue);
        }
    
        //用于测试队列
        public static void doLoop(ArrayQueue queue) {
            char key; // 用于接收用户输入
            int res; //用于取出队列中的数据
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            boolean loop = true;    //判断是否需要继续执行
    
            // 提示信息
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("e(exit): 退出队列");
            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");
    
            while (loop) {
                key = sc.next().charAt(0); //接收一个字符
                switch (key) {
                    case 's':
                        queue.showQueue();
                        break;
                    case 'a':
                        System.out.println("请输入一个数用于插入队列");
                        int varlue = sc.nextInt();
                        queue.addQueue(varlue);
                        break;
                    case 'g':
                        try {
                            res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("从队列取出的数据是%d
    ", res);
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case 'h':
                        res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d
    ", res);
                        break;
                    case 'e':
                        sc.close();
                        loop = false;
                        break;
                    default:
                        break;
                }
                System.out.println("程序运行结束");
            }
        }
    
    }
    

    运行结果

    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,改进为一个环形的队列

    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,因此将数组看做是一个环形的(通过取模实现)

    思路分析

    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做为约定.
      rear 的初始值 = 0
    3. 当队列满时,条件是 (rear + 1) % maxSize == front 【满】
    4. 对队列为空的条件, rear == front
    5. 当我们这样分析, 队列中有效的数据的个数 (rear + maxSize - front) % maxSize // rear = 1 front = 0
    6. 我们就可以在原来的队列上修改得到,一个环形队列

    代码实现

    队列代码

    package com.queue;
    
    /**
     * 环形队列
     * @author john
     * @date 2019/12/17 - 18:41
     */
    class CircleArrayQueue {
        private int maxSize; //数组的最大容量
        private int front; //front指向队列的第一个元素,初始值为0
        private int rear;  //rear指向队列的最后一个元素的后一个位置,因此希望空出一个空间作为约定,初始值为0
        private int[] arr; //该数组用于存放数据,模拟队列
    
        //创建队列的构造器
        public CircleArrayQueue(int maxSize) {
            this.maxSize = maxSize;
            arr = new int[this.maxSize];
        }
    
        // 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,不能加入数据了");
                return;
            }
            //直接将数据加入
            arr[rear] = n;
            //将rear后移,这里需要取模
            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()) {
                //跑出异常
                throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
            }
            // 1. 先把front值保存到一个临时变量
            int value = arr[front];
            // 2. 将front后移,考虑取模
            front = (front + 1) % maxSize;
            // 3. 将临时保存的变量返回
            return value;
        }
    
        //显示队列的所有数据
        public void showQueue() {
            //为空判断
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("队列空的,没有数据");
                return;
            }
            //遍历
            for (int i = front; i < front + size(); i++) {
                System.out.printf("arr[%d]=%d
    ", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
            }
        }
    
        //显示队列的头数据,不取出数据
        public int headQueue() {
            //为空判断
            if (isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
            }
            return arr[front];
        }
    
        //求出当前队列有效数据的个数
        public int size() {
            return (rear + maxSize - front) % maxSize;
        }
    }
    
    

    测试代码

    package com.queue;
    
    
    import java.util.Scanner;
    
    /**
     * @author john
     * @date 2019/12/17 - 17:48
     */
    class ArrayQueueDemo {
        public static void main(String[] args) {
            //测试数组环形队列
            CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(4); //实际队列长度最大只有3
            doLoop(queue);
        }
    
        //用于测试队列
        public static void doLoop(CircleArrayQueue queue) {
            char key; // 用于接收用户输入
            int res; //用于取出队列中的数据
            Scanner sc = new Scanner(System.in);
            boolean loop = true;    //判断是否需要继续执行
    
            // 提示信息
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("e(exit): 退出队列");
            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");
    
            while (loop) {
                key = sc.next().charAt(0); //接收一个字符
                switch (key) {
                    case 's':
                        queue.showQueue();
                        break;
                    case 'a':
                        System.out.println("请输入一个数用于插入队列");
                        int varlue = sc.nextInt();
                        queue.addQueue(varlue);
                        break;
                    case 'g':
                        try {
                            res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("从队列取出的数据是%d
    ", res);
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case 'h':
                        res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d
    ", res);
                        break;
                    case 'e':
                        sc.close();
                        loop = false;
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            }
            System.out.println("程序运行结束");
        }
    
    }
    
    

    测试结果


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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/ifme/p/12056245.html
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