Java 单向队列及环形队列的实现原理
作者：沐雨橙风~~ 发布时间：2022-12-10 22:09:11
标签：Java,单向队列,环形队列
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：
/*
*这里的 last+1 主要是为了让指针后移，特别是在队列尾部添加数据的时候，本来用last也可以判断，但
*是一开始还没加数据的时候，如果直接用last ％ maxSize == first，结果是true，所以为了解决指针后*移和判断是否满，用来last+1。其次，因为last+1可能会导致数组指针越界，所以用取模来控制它的范 * 围，同时保证他会在一个固定的范围循环变换，也利于环形队列的实现。
*/
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;
}
/*
*这里的 last+1 主要是为了让指针后移，特别是在队列尾部添加数据的时候，本来用last也可以判断但
*是一开始还没加数据的时候，如果直接用last ％ maxSize == first，结果是true，所以为了解决指针
*后移和判断是否满，用来last+1。其次，因为last+1可能会导致数组指针越界，所以用取模来控制它
*的范围，同时保证他会在一个固定的范围循环变换，也利于环形队列的实现。
*/
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];
}
}
最后：
部分内容参考自B站韩顺平老师java数据结构课程
来源：https://www.cnblogs.com/coding-996/p/12246672.html
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