通过数组模拟理解队列、环形队列

谁践踏了优雅 2023-09-28 18:42 17阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  前言
 *   *  队列
     *  数组模拟队列
     *  数组模拟环形队列

## 前言 ##

队列类似于数组，遵循着先入先出的原则，实际生活中的排队场景就是这一特征的体现，队首的人总是先完成办理。独特的数据结构特征注定会应用于特殊的场景  
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### 队列 ###

队列的入队和出队操作的时间复杂度均为O(1)  
队列是一个有序列表，遵循先入先出的原则，这也是此数据结构的特性所在。即:先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出，以（front/rear）来实现定位元素位置  
示意图如下所示  
![在这里插入图片描述][9d9c898cc94f4e23b547cca2b44629c8.png]

### 数组模拟队列 ###

利用数组模拟队列可以深刻理解队列的特性，实现它的过程，代码与数据结构相结合更是提升了自己设计程序的能力，结合示意图实现思路如下:  
1.通过面向对象的思想将队列看作一个对象Queue  
2.定义模拟数组arr\[ \]与最大容量maxsize  
3.通过定义两个变量（front/rear）来模拟定位的指针，每当一个元素入队后，指针rear就向后移一位（rear++），将用户输入的数值扫描，获取后赋值到数组的指定位置，实现入队添加  
4.通过front来实现“先出”，先出的元素出队后，front指针就向后移，每出一个指针向后移一位（front++），队列是如何保证每次对元素的操作都”遵规守纪“的？就是靠的**rear/front**的各司其职！**出队动front不动rear，入队动rear不动front**  
5.上述功能实现的前提是对列不为空，要在每一次操作的前加上队列不为空的**if**判断

public class ArrayQueueDemo {
        
    	public static void main(String[] args) {
        
    		//测试一把
    		//创建一个队列
    		ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
    		char key = ' '; //接收用户输入
    		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);//接收一个字符
    			switch (key) {
        
    			case 's':
    				queue.showQueue();
    				break;
    			case 'a':
    				System.out.println("输出一个数");
    				int value = scanner.nextInt();
    				queue.addQueue(value);
    				break;
    			case 'g': //取出数据
    				try {
        
    					int res = queue.getQueue();
    					System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
    				} catch (Exception e) {
        
    					// TODO: handle exception
    					System.out.println(e.getMessage());
    				}
    				break;
    			case 'h': //查看队列头的数据
    				try {
        
    					int res = queue.headQueue();
    					System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
    				} catch (Exception e) {
        
    					// TODO: handle exception
    					System.out.println(e.getMessage());
    				}
    				break;
    			case 'e': //退出
    				scanner.close();
    				loop = false;
    				break;
    			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 {
        
    	private int maxSize; // 表示数组的最大容量
    	private int front; // 队列头
    	private int rear; // 队列尾
    	private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列
    
    	// 创建队列的构造器
    	public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        
    		maxSize = arrMaxSize;
    		arr = new int[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，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) {
        
    		// 判断队列是否满
    		if (isFull()) {
        
    			System.out.println("队列满，不能加入数据~");
    			return;
    		}
    		rear++; // 让rear 后移
    		arr[rear] = n;
    	}
    	// 获取队列的数据, 出队列
    	public int getQueue() {
        
    		// 判断队列是否空
    		if (isEmpty()) {
        
    			// 通过抛出异常
    			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() {
        
    		// 遍历
    		if (isEmpty()) {
        
    			System.out.println("队列空的，没有数据~~");
    			return;
    		}
    		for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        
    			System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
    		}
    	}
    	// 显示队列的头数据， 注意不是取出数据
    	public int headQueue() {
        
    		// 判断
    		if (isEmpty()) {
        
    			throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~");
    		}
    		return arr[front + 1];
    	}
    }

### 数组模拟环形队列 ###

![在这里插入图片描述][68ed169e0664482da7510e90566eed92.png]

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=o  
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=o  
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空**  
5.当我们这样分析，队列中有效的数据的个数(rear+ maxSize -front)% maxSize // rear=1front=0

public class CircleArrayQueueDemo {
        
    	public static void main(String[] args) {
        	
    		//测试一把
    		System.out.println("数组模拟环形队列~~~");
    		// 创建一个环形队列
    		CircleArray queue = new CircleArray(4); //说明设置4, 其队列的有效数据最大是3
    		char key = ' '; // 接收用户输入
    		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);// 接收一个字符
    			switch (key) {
        
    			case 's':
    				queue.showQueue();
    				break;
    			case 'a':
    				System.out.println("输出一个数");
    				int value = scanner.nextInt();
    				queue.addQueue(value);
    				break;
    			case 'g': // 取出数据
    				try {
        
    					int res = queue.getQueue();
    					System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
    				} catch (Exception e) {
        
    					// TODO: handle exception
    					System.out.println(e.getMessage());
    				}
    				break;
    			case 'h': // 查看队列头的数据
    				try {
        
    					int res = queue.headQueue();
    					System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
    				} catch (Exception e) {
        
    					// TODO: handle exception
    					System.out.println(e.getMessage());
    				}
    				break;
    			case 'e': // 退出
    				scanner.close();
    				loop = false;
    				break;
    			default:
    				break;
    			}
    		}
    		System.out.println("程序退出~~");
    	}
    }
    class CircleArray {
        
    	private int maxSize; // 表示数组的最大容量
    	//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
    	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做为约定.
    	//rear 的初始值 = 0
    	private int rear; // 队列尾
    	private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列
    	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) {
        
    		// 判断队列是否满
    		if (isFull()) {
        
    			System.out.println("队列满，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;
    	}
    	// 获取队列的数据, 出队列
    	public int getQueue() {
        
    		// 判断队列是否空
    		if (isEmpty()) {
        
    			// 通过抛出异常
    			throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
    		}
    		// 这里需要分析出 front是指向队列的第一个元素
    		// 1. 先把 front 对应的值保留到一个临时变量
    		// 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;
    	}
    	// 显示队列的所有数据
    	public void showQueue() {
        
    		// 遍历
    		if (isEmpty()) {
        
    			System.out.println("队列空的，没有数据~~");
    			return;
    		}
    		// 思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
    		// 动脑筋
    		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() {
        
    		// rear = 2
    		// front = 1
    		// maxSize = 3 
    		return (rear + maxSize - front) % maxSize;   
    	}
    	
    	// 显示队列的头数据， 注意不是取出数据
    	public int headQueue() {
        
    		// 判断
    		if (isEmpty()) {
        
    			throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~");
    		}
    		return arr[front];
    	}
    }

[Java]: https://www.nowcoder.com/link/pc_csdncpt_lyy_java
[9d9c898cc94f4e23b547cca2b44629c8.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/9d9c898cc94f4e23b547cca2b44629c8.png
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