Java编程内功-数据结构与算法「队列」-java 数据结构与算法

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基本介绍

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.

因为队列的输入\输出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.

代码案例

package com.structures.queue; 
 
import java.util.Scanner; 
 
public class ArrayQueueDemo { 
    public static void main(String[] args) { 
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3); 
        char key = ' ';//接受用户输入 
        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):从队列取出数据"); 
            System.out.println("h(head):查看队列头的数据"); 
            key = scanner.next().charAt(0); 
            switch (key) { 
                case 's': 
                    arrayQueue.showQueue(); 
                    break; 
                case 'a': 
                    System.out.println("输入一个整数"); 
                    int value = scanner.nextInt(); 
                    arrayQueue.addQueue(value); 
                    break; 
                case 'g': 
                    try { 
                        int queue = arrayQueue.getQueue(); 
                        System.out.printf("取出的数据是%d", queue); 
                    }catch (Exception e){ 
                        System.out.println(e.getMessage()); 
                    } 
                    break; 
                case 'e': 
                    scanner.close(); 
                    loop = false; 
                    break; 
                case 'h': 
                    try { 
                        int head = arrayQueue.headQueue(); 
                        System.out.printf("取出队列头的数据是%d", head); 
                    }catch (Exception e){ 
                        System.out.println(e.getMessage()); 
                    } 
                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 { 
    //表示数组最大容量 
    private int maxSize; 
    //队列头 
    private int front; 
    //队列尾 
    private int rear; 
    //用于存放数据,模拟队列 
    private int[] arr; 
 
    //创建队列构造器 
    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;//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) { 
        if (isFull()) { 
            System.out.println("队列不能加入数据"); 
            return; 
        } 
        rear++;//让rear 后移 
        arr[rear] = n; 
    } 
 
    //获取队列数据,出队列 
    public int getQueue() { 
        if (isEmpty()) { 
            throw new RuntimeException("队列为空,不能取数据"); 
        } 
        front++; 
        return arr[front]; 
    } 
 
    //显示队列所有数据 
    public void showQueue() { 
        if (isEmpty()) { 
            System.out.println("队列为空,没有数据"); 
        } 
        for (int i = 0; i < this.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() { 
        if (isEmpty()) { 
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据"); 
        } 
        return arr[front + 1]; 
    } 
 
}

问题分析

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

改进成环形队列的思路分析

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=0
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初始值=0
当队列满时,条件是(rear+1)%maxSize = front.
当队列为空时条件,rear == front 空.
当我们这样分析,队列中有效的数据的个数=(rear+maxSize-front)%maxSize.

环形队列代码案例

package com.structures.queue; 
 
import java.util.Scanner; 
 
public class CircleArrayQueue { 
    public static void main(String[] args) { 
        CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);//这里设置4,其队列的有效数据最大是3 
        char key = ' ';//接受用户输入 
        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):从队列取出数据"); 
            System.out.println("h(head):查看队列头的数据"); 
            key = scanner.next().charAt(0); 
            switch (key) { 
                case 's': 
                    arrayQueue.showQueue(); 
                    break; 
                case 'a': 
                    System.out.println("输入一个整数"); 
                    int value = scanner.nextInt(); 
                    arrayQueue.addQueue(value); 
                    break; 
                case 'g': 
                    try { 
                        int queue = arrayQueue.getQueue(); 
                        System.out.printf("取出的数据是%d", queue); 
                    }catch (Exception e){ 
                        System.out.println(e.getMessage()); 
                    } 
                    break; 
                case 'e': 
                    scanner.close(); 
                    loop = false; 
                    break; 
                case 'h': 
                    try { 
                        int head = arrayQueue.headQueue(); 
                        System.out.printf("取出队列头的数据是%d", head); 
                    }catch (Exception e){ 
                        System.out.println(e.getMessage()); 
                    } 
                default: 
                    break; 
            } 
        } 
        System.out.println("程序退出"); 
    } 
 
} 
 
class CircleArray { 
    //表示数组最大容量 
    private int maxSize; 
    //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=0 
    private int front; 
    //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初始值=0 
    private int rear; 
    //用于存放数据,模拟队列 
    private int[] arr; 
 
    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) { 
        if (isFull()) { 
            System.out.println("队列满,队列不能加入数据"); 
            return; 
        } 
        //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; 
    } 
 
    //获取队列数据,出队列 
    public int getQueue() { 
        if (isEmpty()) { 
            throw new RuntimeException("队列为空,不能取数据"); 
        } 
        //这里需要分析front是指向队列的第一个元素, 
        //1.先把front对应的值保存到一个临时变量, 
        //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; 
    } 
 
    //显示队列所有数据 
    public void showQueue() { 
        if (isEmpty()) { 
            System.out.println("队列为空,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,注意不是取数据 
    public int headQueue() { 
        if (isEmpty()) { 
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据"); 
        } 
        return arr[front]; 
    } 
}

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