Java 单向队列及环形队列的实现原理

2024-04-02 19:04:59 555人浏览安东尼

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摘要

目录队列的特点图解实现过程：优化解决——环形队列实现思路环形队列各步骤及各方法实现讲解最后：队列的特点 1.可以使用数组和链表两种方式来实现。 2.遵循先入先出(FIFO)的规则，即

队列的特点

1.可以使用数组和链表两种方式来实现。

2.遵循先入先出(FIFO)的规则，即先进入的数据先出。

3.属于有序列表。

图解实现过程：

1.定义一个固定长度的数组，长度为maxSize。

2.设置两个指针first = -1（指向队列第一个数据的前一位，这样保证在添加第一个数据以后头指针为0，和数组的下标一样，且用于操作出队）和last = -1(指向队尾，用于操作入队)。

3.即first会因为出队操作而增加，last会因为入队操作而增加

代码实现：


package 队列;

public class ArrayQueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        arrayQueue.addQueue("琼");
        arrayQueue.addQueue("赟");
        arrayQueue.addQueue("珑");
        arrayQueue.showAllQueueData();
        System.out.println(arrayQueue.getQueue());   
    }
}
class ArrayQueue{
    private int maxSize;//定义队列的最大长度
    private int first ;//指向队列头的前一个位置！！前一个位置！！出队方向
    private int last ;//指向队列尾部!!即最后一个数据！！！入队方向
    private String[] arr; //先建一个空的数组，具体长度未知，需要maxSize来确定。
	
    //构造器初始化队列信息
    public ArrayQueue(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        this.first = -1;
        this.last = -1;
        arr = new String[maxSize];
    }
	
    //判断是否为空
    public boolean isEmpty(){
        if (first == last) {
            System.out.println("队列为空~~");
            return true;
        }else {
            System.out.println("队列不为空~~");
            return false;
        }
    }
    
    //判断队列是否满
    public boolean isFull(){
        if (last == maxSize-1) {
            System.out.println("队列已满~~");
            return true;
        }else {
            System.out.println("队列未满~~");
            return false;
        }
    }
	
    //入队
    public void addQueue(String data){
        if (last == maxSize-1){
            System.out.println("队列已满，不能再添加！！");
            return;
        }else {
            last++; //添加数据只和末尾下标有关
            arr[last] = data;
            return;
        }
    }
	
    //出队
    public String getQueue(){
        if (isEmpty()) {
            //因为getQueue方法是int型，需要返回数据，如果无数据，也需要返回
            //如果返回-1或者其他数据，会让人误解获取到的数就是-1或者其他
            //所以用抛出异常来处理
            throw new RuntimeException("队列为空，无数据~~");
        }
        else {
            first++;
            return arr[first];
        }
    }
	
    //遍历队列所有信息
    public void showAllQueueData(){
        if (first == last){
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.println("arr["+i+"]"+"="+arr[i]);
        }
    }
	
    //获取队列头数据
    public String headQueueData(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("无数据~~~");
        }
        return arr[++first];
    }
}

队列缺点：

由于出队操作，使得first指针上移变大，导致数组前面空出来的位置就不能再继续添加数据，即不能再被重复使用，这样一个队列只能使用一次，内存效率太低，所以需要使用环形队列来优化解决。

优化解决——环形队列实现思路

1.first指针初始默认设置为0，指向队列头部，则arr[first] 就是第一个数据。

2.last指针初始默认也为0，但是会随着增加数据而后移。

3.队列满的条件：

(last + 1) % maxSize == first

last+1是为了让指针后移，而且如果不设置为 last+1 那么一开始的时候last为0 ， last % maxSize == 0，且first也为0，还没加数据就满了。

4.队列为空的条件：

first == last

5.由于判断是否满的时候： last+1 ，导致实际上可以装的数据比数组长度少 1

环形队列各步骤及各方法实现讲解

1.队列初始化：


class CircleArryQueue{
    private int maxSize ; //数组长度，即队列最大容量
    private int first; 	  //头指针，控制出队操作
    private int last;	  //尾指针，控制入队操作
    private int[] arr;	  //数组类型，可以换其他的。

    //构造器初始化信息
    public CircleArryQueue(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        this.arr = new int[maxSize];
        this.first = 0;		//这两个可以不加，不叫也是默认为0
        this.last = 0;
    }
}

2.判断队列是否为空：


 public boolean isEmpty(){
        //头指针和尾指针一样 则说明为空
        return last == first;
    }

3.判断队列是否满：



public boolean isFull(){
    return (last + 1) % maxSize == first;
}

4.添加数据到队列尾部：入队


public void pushData(int data){
    //先判断是否满了
    if(isFull()){
        System.out.println("队列已经满啦~~");
        return;
    }
    arr[last] = data;
    //last+1是为了后移，取模是为了避免指针越界，同时可以让指针循环
    last = (last + 1) % maxSize;
}

5.取出队首数据：出队


public int popData(){
        if (isEmpty()) {
            //抛异常就可以不用返回数据了
            new RuntimeException("队列为空，没有获取到数据~~");
        }
    
 		//要先把first对应的数组数据保存——>first后移——>返回数据
        int value = arr[first];
		//first+1的操作和last+1是一样的，取模也是 
        first = (first+1) % maxSize;
        System.out.println(value);
        return value;
    	//如果不保存first指针 那么返回的数据就不对了
		//如果直接返回数据，那first指针还没后移 也不对，所以需要使用第三方变量
    }

6.展示队列中所有数据：


public void showAllData(){
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，没有数据~~");
            return;
        }
		//此处i不为0，是因为有可能之前有过popData()操作，使得firs不为0，所以最好使用
    	//first给i动态赋值，
        for (int i = first; i < first+size() ; i++) {
            System.out.println("arr["+i%maxSize+"]"+arr[i%maxSize]);
        }

7.获取队列中数据的总个数：


public int dataNum(){
	//韩顺平老师的教程上是这样写，但是我理解不了..........。
	return (last+maxSize-first) % maxSize;   
}

8.查看队首数据但不弹出：


public void seeFirstData(){
    return arr[first];
}

全部代码整合：


package 练习;

import java.util.Scanner;

public class CircleArryQueue {
    public static void main(String[] args){
        CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);
        System.out.println("--------测试环形队列--------");
        char key = ' ';
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);

        boolean flag = true;
        while (flag){
            System.out.println("s(showAllData):查看队列数据");
            System.out.println("p(pushData):队尾添加数据");
            System.out.println("g(popData):弹出队头数据");
            System.out.println("h(seefirstData)：获取队头数据");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            key = scanner.next().charAt(0);

            switch (key){
                case 's':
                    circleQueue.showAllData();
                    break;
                case 'p':
                    System.out.println("输入一个数据：");
                    int obj = scanner.nextInt();
                    circleQueue.pushData(obj);
                    break;
                case 'g':
                    circleQueue.popData();
                    break;
                case 'h':
                    circleQueue.seeFirstData();
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    flag = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }

        }

        System.out.println("程序结束~~~");

    }

}

class CircleQueue {
    private int maxSize ; //数组长度，即队列最大容量
    private int first; 	  //头指针，控制出队操作
    private int last;	  //尾指针，控制入队操作
    private int[] arr;	  //数组类型，可以换其他的。

    //构造器初始化信息
    public CircleQueue(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        this.arr = new int[maxSize];
        this.first = 0;		//这两个可以不加，不叫也是默认为0
        this.last = 0;
    }

    public boolean isEmpty(){
        //头指针和尾指针一样 则说明为空
        return last == first;
    }


    public boolean isFull(){
        return (last + 1) % maxSize == first;
    }

    public void pushData(int data){
        //先判断是否满了
        if(isFull()){
            System.out.println("队列已经满啦~~");
            return;
        }
        arr[last] = data;
        //last+1是为了后移，取模是为了避免指针越界，同时可以让指针循环
        last = (last + 1) % maxSize;
    }

    public int popData(){
        if (isEmpty()) {
            //抛异常就可以不用返回数据了
            throw new RuntimeException("队列为空，没有获取到数据~~");
        }

        //要先把first对应的数组数据保存——>first后移——>返回数据
        int value = arr[first];
        //first+1的操作和last+1是一样的，取模也是
        first = (first+1) % maxSize;
        System.out.println(value);
        return value;
        //如果不保存first指针 那么返回的数据就不对了
        //如果直接返回数据，那first指针还没后移 也不对，所以需要使用第三方变量
    }
    
	//查看所有数据
    public void showAllData(){
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，没有数据~~");
        }
        //此处i不为0，是因为有可能之前有过popData()操作，使得firs不为0，所以最好使用
        //first给i动态赋值，
        for (int i = first; i < first+dataNum() ; i++) {
            System.out.println("arr["+i%maxSize+"]"+arr[i%maxSize]);
        }
    }
	//查看有效数据个数
    public int dataNum(){
        //韩顺平老师的教程上是这样写，但是我理解不了..........。
        return (last+maxSize-first) % maxSize;
    }
	//查看队列第一个数据
    public int seeFirstData(){    
        System.out.println(arr[first]);
        return arr[first];
        
    }
}