1、队列基本说明

1、队列是一个有序列表，可以用数组或者链表实现
2、遵循先进先出原则，先存入数据先取出，后存入后取出

2、数组模拟队列

image.png 1、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上图, 其中 maxSize 是该队列的最大容量。
2、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

3、数组模拟队列设计思路：

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：
(1)将尾指针往后移：rear+1 , 前提是 判断 是否为空 取决于 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。
前提判断是否 队列 容量满了 rear == maxSize - 1[队列满]

4、核心代码和测试代码：

  1. package com.kk.datastructure.queue;
  3. import java.util.Scanner;
  5. import javax.management.RuntimeErrorException;
  7. public class ArrayQueueDemo {
  9.     public static void main(String[] args) {
  10.         //创建一个队列
  11.         ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
  12.         char key = ' '; //接收用户输入
  13.         Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
  14.         boolean loop = true;
  15.         //输出一个菜单
  16.         while (loop) {
  17.             System.out.println("s(show): 显示队列");
  18.             System.out.println("e(exit): 退出程序");
  19.             System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
  20.             System.out.println("g(get): 从队列取出数据");
  21.             System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
  22.             key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
  23.             switch (key) {
  24.                 case 's':
  25.                     queue.showQueue();
  26.                     break;
  27.                 case 'a':
  28.                     System.out.println("输出一个数");
  29.                     int value = scanner.nextInt();
  30.                     queue.addQueue(value);
  31.                     break;
  32.                 case 'g': //取出数据
  33.                     try {
  34.                         int res = queue.getQueue();
  35.                         System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
  36.                     } catch (Exception e) {
  37.                         // TODO: handle exception
  38.                         System.out.println(e.getMessage());
  39.                     }
  40.                     break;
  41.                 case 'h': //查看队列头的数据
  42.                     try {
  43.                         int res = queue.headQueue();
  44.                         System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
  45.                     } catch (Exception e) {
  46.                         // TODO: handle exception
  47.                         System.out.println(e.getMessage());
  48.                     }
  49.                     break;
  50.                 case 'e': //退出
  51.                     scanner.close();
  52.                     loop = false;
  53.                     break;
  54.                 default:
  55.                     break;
  56.             }
  57.         }
  59.         System.out.println("程序退出~~");
  60.     }
  63. }
  64. // 使用数组模拟一个队列：ArrayQueue类
  65. class ArrayQueue{
  66.     private int maxSize;// 数组最大的容量
  67.     private int front;  // 队列头
  68.     private int rear;   // 对列尾
  69.     private int[] arr;  // 该数组用于模拟队列存放的数据
  71.     // 创建队列构造器
  72.     public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
  73.         maxSize = arrMaxSize;
  74.         arr = new int[maxSize ];
  75.         front = -1;// 指向队列头部，分析出目前初始化的 front 是指向队列头的前一个位置       
  76.         rear = -1; // 指向队列尾部，意思就是队列最后一个数据的位置
  77.     }
  79.     // 判断队列是否满
  80.     public boolean isFull() {
  81.         return rear == maxSize-1;// 队列尾  == 数组的最后一个数据
  82.     }
  84.     // 判断你队列是否为空
  85.     public boolean isEmpty() {
  86.         return front == rear;// 头尾相等，说明没数据
  87.     }
  89.     // 添加数据到队列
  90.     public void addQueue(int n) {
  91.         // 判断队列是否满
  92.         if(isFull()) {
  93.             System.out.println("队列已满,无法添加数据~~~~");
  94.             return;
  95.         }
  96.         rear++; // 让 rear 后移
  97.         arr[rear] = n;
  98.     }
  100.     // 获取队列数据(出队列)
  101.     public int getQueue() {
  102.         // 判断队列是否为空
  103.         if(isEmpty()) {
  104.             // 通过异常抛出 null
  105.             throw new RuntimeException("队列为空，无法取数据~~~");
  106.         }
  107.         front++;// front后移
  108.         int result = arr[front];
  109.         arr[front] = 0;// 此时取出的值 位置存放的为0
  110.         return result;
  111.     }
  113.     // 显示队列的所有数据
  114.     public void showQueue() {
  115.         // 判空
  116.         if(isEmpty()) {
  117.             System.out.println("队列为空,无法显示数据~~~~");
  118.             return;
  119.         }
  120.         // 遍历
  121.         for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
  122.             System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);
  123.         }
  124.     }
  126.     // 显示头队列，而非取出
  127.     public int headQueue() {
  128.         // 判空
  129.         if (isEmpty()) {
  130.             // 通过异常抛出 null
  131.             throw new RuntimeException("队列为空，无法取数据~~~");
  132.         }
  133.         // 显示
  134.         return arr[front+1];// 这边加一的原因是一开始，初始化指向的是队列头的前一个
  135.     }
  136. }

5、此队列出现的问题和优化：

1、目前设计的队列只能使用一次(因为数组只能有一次)，没有达到复用效果
2、将此数组用算法改进，成一个环形队列，取模 %

6、环形队列设计思路：参考之一(实现方式有很多)

  • front 变量调整： 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 (之前的是 front +1 才是第一个元素，初始值 -1)
  • rear 变量的调整：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 (之前的是 rear 就是最后一个元素，现在是 rear -1 才是最后一个元素，初始值 -1 )
  • 当队列满时，公式是 (rear + 1) % maxSize == front (腿上面是头时，你就没法再被拉长了)
  • 对队列为空的条件， rear == front 空 (你的 头距离地面 20cm ，你的腿也是 ，那么你的肉体就不存在了)
  • 当我们这样分析， 队列中有效的数据的个数 (rear + maxSize - front) % maxSize
  • 关于第五点的公式推导，如果非环形队列有效个数是 rear-front。那么是不是就很好理解了

7、环形队列测试和代码实现

  1. package com.kk.datastructure.queue;
  2. import java.util.Scanner;
  4. public class CircleArrayQueueDemo {
  6.     public static void main(String[] args) {
  7.         //创建一个队列
  8.         CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(4);// 此处有效数据为3 
  9.         char key = ' '; //接收用户输入
  10.         Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
  11.         boolean loop = true;
  12.         //输出一个菜单
  13.         while (loop) {
  14.             System.out.println("s(show): 显示队列");
  15.             System.out.println("e(exit): 退出程序");
  16.             System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
  17.             System.out.println("g(get): 从队列取出数据");
  18.             System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
  19.             key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
  20.             switch (key) {
  21.                 case 's':
  22.                     queue.showQueue();
  23.                     break;
  24.                 case 'a':
  25.                     System.out.println("输出一个数");
  26.                     int value = scanner.nextInt();
  27.                     queue.addQueue(value);
  28.                     break;
  29.                 case 'g': //取出数据
  30.                     try {
  31.                         int res = queue.getQueue();
  32.                         System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
  33.                     } catch (Exception e) {
  34.                         // TODO: handle exception
  35.                         System.out.println(e.getMessage());
  36.                     }
  37.                     break;
  38.                 case 'h': //查看队列头的数据
  39.                     try {
  40.                         int res = queue.headQueue();
  41.                         System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
  42.                     } catch (Exception e) {
  43.                         // TODO: handle exception
  44.                         System.out.println(e.getMessage());
  45.                     }
  46.                     break;
  47.                 case 'e': //退出
  48.                     scanner.close();
  49.                     loop = false;
  50.                     break;
  51.                 default:
  52.                     break;
  53.             }
  54.         }
  56.         System.out.println("程序退出~~");
  57.     }
  59. }
  61. //使用数组模拟一个环形队列：CArrayQueue类
  62. class CircleArrayQueue{
  64.     private int maxSize;// 数组最大的容量
  65.     // 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 
  66.     private int front;
  67.     // rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置
  68.     private int rear;
  69.     private int[] arr;  
  71.     // 创建队列构造器
  72.     public CircleArrayQueue(int arrMaxSize) {
  73.         maxSize = arrMaxSize;
  74.         arr = new int[arrMaxSize];
  75.         // front rear 默认值为0，声明的默认值也为0，既不需要重复赋值
  76.     }
  78.     // 判断队列是否满
  79.     public boolean isFull() {
  80.         return (rear + 1)% maxSize == front;
  81.     }
  83.     // 判断你队列是否为空
  84.     public boolean isEmpty() {
  85.         return front == rear;// 头尾相等，说明没数据
  86.     }
  88.     // 添加数据到队列
  89.     public void addQueue(int n) {
  90.         // 判断队列是否满
  91.         if (isFull()) {
  92.             System.out.println("队列已满,无法添加数据~~~~");
  93.             return;
  94.         }
  95.         // 直接插入进来
  96.         arr[rear] = n;
  97.         // rear 后移, 得考虑取模(环形)
  98.         rear = (rear + 1) % maxSize;
  99.     }
  101.     // 获取队列数据(出队列)
  102.     public int getQueue() {
  103.         // 判断队列是否为空
  104.         if (isEmpty()) {
  105.             // 通过异常抛出 null
  106.             throw new RuntimeException("队列为空，无法取数据~~~");
  107.         }
  108.         // 分析得 front 是指向队列的第一个元素
  109.         // 先 将 front 值保存到临时变量，用于返回
  110.         // 然后再进行后移
  111.         int value = arr[front];
  112.         front = (front + 1) % maxSize;
  113.         return value;
  114.     }
  116.     // 显示队列的所有数据
  117.     public void showQueue() {
  118.         // 判空
  119.         if (isEmpty()) {
  120.             System.out.println("队列为空,无法显示数据~~~~");
  121.             return;
  122.         }
  123.         // 遍历(从头队列 到 都队列 + 有效数据个数)
  124.         for (int i = front; i < front+size(); i++) {
  125.             System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
  126.         }
  127.     }
  129.     // 计算出有效数据个数
  130.     public int size() {
  131.         return (rear - front + maxSize) % maxSize;  
  132.     }
  134.     // 显示头队列，而非取出
  135.     public int headQueue() {
  136.         // 判空
  137.         if (isEmpty()) {
  138.             // 通过异常抛出 null
  139.             throw new RuntimeException("队列为空，无法取数据~~~");
  140.         }
  141.         // 显示
  142.         return arr[front];
  143.     }
  144. }