Java 循环队列/环形队列的实现流程

2024-04-02 19:04:59 363人浏览独家记忆

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摘要

之前，我们使用链表实现了基础队列，链接放在这里可以去康康哟 Java栈和基础队列的实现详解之所以没有选择数组来实现，是因为每有一个元素出队，数组中所有剩下的元素都需要向前移动一次，

之前，我们使用链表实现了基础队列，链接放在这里可以去康康哟

Java栈和基础队列的实现详解

之所以没有选择数组来实现，是因为每有一个元素出队，数组中所有剩下的元素都需要向前移动一次，因此没有链表高效。

此时，我们就引出了循环队列的概念。

循环队列，又称环形队列，逻辑上是一个环，物理上依然是线性表。

head-指向队列的第一个元素

tail-指向队列最后一个元素的下一个位置

当tail走到数组末尾时，下一步再次返回数组头部（从0开始）

出队之后的元素就访问不到了，此时逻辑上已经将它删除了，tail向后走到该位置时覆盖它即可。此时就解决了数组队列需要一直搬运元素的问题。

了解循环队列的概念之后，我们就能明白它的几个基础知识:

当head == tail 时，表示队列为空

根据上面 head 和 tail 的定义，队列已满时，tail 指向最后一个元素的下一个位置，也就是head ，此时我们就无法区分环形队列到底是已满还是为空。所以我们在环形队列的数组中浪费一个空间，在区分数组是否已满，如下图，就是一个已满的队列

那么如何移动 tail 指针使他返回数组头部呢？我们运用取模操作：

tail = ( tail + 1 ) % 数组.length;

根据上式我们就能判断队列是否已满的方法：

( tail + 1 ) % 数组.length == head;

此时 head 和 tail 引用向后移动时，不能简单的 +1，要 ++ 之后对数组长度取模，这样就可以返回数组头部继续向后移动:

head = ( head +1 ) % 数组.length;

tail = ( tail +1 ) % 数组.length;

那么如何获取当前队列最后一个元素的索引呢?

图①中最后一个元素的索引就是 tail -1

图②的tail恰好在数组第一个位置，这时最后一个元素下标就是数组.length -1

综上：数组最后一个元素的索引lastIndex

lastIndex = tail == 0 ? 数组.length -1 : tail -1;

代码实现：


public interface Queue<E> {
    void offer(E val);//入队
    E poll();//出队，返回出队的值
    E peek();//返回队首元素
    boolean isEmpty();//判断是否为空
}
 
 
import java.util.NoSuchElementException;
 
//基于整型的循环队列
public class LoopQueue implements Queue<Integer>{
    private Integer[] data;
    private int head;//队首元素
    private int tail;//队尾元素的下一个位置
    private int size;//当前元素个数
    public LoopQueue(int n){
        //n为希望保存的元素个数
        //在循环队列中要浪费一个元素空间，来判断是否已满，所以 +1
        data = new Integer[n + 1];
        }
 
    @Override
    //添加元素
    public void offer(Integer val) {
        if(isFull()){
            throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("queue is full, cannot offer new val");
        }
        data[tail] = val;
        //tail向后移
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size++;
    }
 
    @Override
    //出队
    public Integer poll() {
        if (isEmpty()){
            throw new NoSuchElementException("queues empty!cannot poll");
        }
        Integer val = data[head];
        //head向后移动
        head = (head + 1) % data.length;
        size--;
        return val;
    }
 
    @Override
    public Integer peek() {
        if (isEmpty()){
            throw new NoSuchElementException("queues empty!cannot poll");
        }
        return data[head];
    }
 
    @Override
    //判断是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return tail == head;
    }
    public String toString(){
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("front[");
        //取得最后一个元素的下标
        int lastIndex = tail == 0 ? data.length-1 : tail-1;
        for (int i = head; i != tail; ) {
            sb.append(data[i]);
            if (i != lastIndex){
                sb.append(",");
            }
            i = (i+1) % data.length;
 
        }
        sb.append("]tail");
        return sb.toString();
    }
    //判断队列是否已满
    public boolean isFull(){
        return (tail + 1) % data.length == head;
    }
}


//代码测试
public class LoopQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> loopQueue = new LoopQueue(5);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            loopQueue.offer(i+1);
        }
        System.out.println(loopQueue);
//        loopQueue.offer(1);
        System.out.println(loopQueue.poll());
        System.out.println(loopQueue);
    }
}

运行结果：