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(四)数据结构-队列

飞熊 • • 后端开发 • 阅读 339

命运对每个人都是一样的，不一样的是各自的努力和付出不同，付出的越多，努力的越多，得到的回报也越多，在你累的时候请看一下身边比你成功却还比你更努力的人，这样，你就会更有动力。

导读：本篇文章讲解 (四)数据结构-队列，希望对大家有帮助，欢迎收藏，转发！站点地址：www.bmabk.com，来源：原文

  1. 队列

1.1 队列介绍

  • 队列是一个有序列表，可以用数组或者链表来实现。

  • 遵循先入先出的原则。即：先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出。

  • 示意图

(四)数据结构-队列

1.2 数组模拟队列

  • 队列本身是有序列列表，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下图，其中 maxSize 是该队列的最大容量。

  • 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会随着数据输出而变化，而 rear 则是随着数据输入而改变，如下图所示。

(四)数据结构-队列

  • 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. 将为指针往后移：rear+1，当 front==rear【空】

  1. 若尾指针 rear 小于队列的最大下标 maxSize-1，则将数据存入 rear 所指的数据元素中，否则无法存入数据。rear == maxSize-1【队列满】

代码实现：

/**
 * 数组模拟队列
 */
public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个队列
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        // 接收用户输入
        char key = ' ';
        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);
            switch (key){
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数字");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }

        }
        System.out.println("退出程序");
    }
}

// 使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue {
    // 数组最大容量
    private int maxSize;
    // 队列头
    private int front;
    // 队列尾
    private int rear;
    // 该数组用于存放数据
    private int[] arr;

    // 创建队列的构造器
    public ArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        // 指向队列头部，分析出front是指向队列头的前一个位置
        front = -1;
        // 指向队列尾部，指向队列尾的数据（即就是队列最后一个数据）
        rear = -1;
    }

    // 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;
        }
        // 让 rear 后移
        rear++;
        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()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据~");
        }
        front++;
        return arr[front];
    }

    // 显示队列的所有数据
    public void showQueue() {
        // 遍历数据
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，无数据~");
        }
        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() {
        // 判断队列是否空
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，无数据~");
            throw new RuntimeException("队列为空，不能读取数据~");
        }
        return arr[front + 1];
    }

}

问题分析及优化：

（1）目前数组使用一次就不能用了，没有达到复用的效果（队列数据全部取出后，不能进行新增）；

（2）将这个数组使用取模算法，改进成一个环形的数组（使用取模：% 来实现）。

1.3 数组模拟环形队列

对前面的数组模拟队列的优化，充分利用数组。因此将数组看做是一个环形的。（通过取模的方式来实现即可）

关于取模运算的特点与应⽤

对于取模（取余）运算%，⽐如A % M，结果永远都是在[0, M-1)之间循环，并且如果A < M，则结果和没有进⾏取模运算⼀样。这⼀特点有很多应⽤场景

1、最常见的就是对2取模来判断奇偶数;

2、循环队列中通过对最⼤容量取模来控制数组下标，防⽌索引越界;

分析说明：

  1. 尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队列容量空出一个作为约定，这个在做判断队列满的时候需要注意 (rear+1)%maxSize==front；

  1. 队列为空判断条件 rear==front

使用数组模拟环形队列的思路分析：

思路如下：

（1）front变量的含义做一个调整：front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的初始值为0；

（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作为约定，rear的初始值为0；

（3）当队列满时，条件为 (rear+1)%maxSize == front，想比较上述模拟过程发生了变化；

（4）当队列为空的条件，front == rear；

（5）队列中有效的数据个数为：(rear+maxSize-front)%maxSize

(四)数据结构-队列

根据环形队列的思路，对数组模拟队列的代码进行优化，以下为优化后的代码实现

/**
 * 数组模拟环形队列
 */
public class ArrayAnnularQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个队列
        // 队列的有效数据为 maxSize-1
        ArrayAnnularQueue arrayQueue = new ArrayAnnularQueue(4);
        // 接收用户输入
        char key = ' ';
        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);
            switch (key) {
                case 's':
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数字");
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }

        }
        System.out.println("退出程序");
    }
}

// 使用数组模拟环形队列-编写一个ArrayAnnularQueue类
class ArrayAnnularQueue {
    // 数组最大容量
    private int maxSize;
    // front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的初始值为0
    private int front;
    // 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作为约定，rear的初始值为0
    private int rear;
    // 该数组用于存放数据
    private int[] arr;

    // 创建队列的构造器
    public ArrayAnnularQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        // 指向队列头部
        front = 0;
        // 指向队列尾部
        rear = 0;
    }

    // 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;
        }
        // 直接加入数据
        arr[rear] = n;
        // 将 rear 后移
        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()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，不能取出数据~");
        }
        // 先把front对应的值保留到一个临时变量
        int data = arr[front];
        // 将front后移
        front = (front + 1) % maxSize;
        // 返回值
        return data;
    }

    // 显示队列的所有数据
    public void showQueue() {
        // 遍历数据
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，无数据~");
        }
        // 从 front开始遍历，遍历多少个元素

        for (int i = front; i < front + size(); i++) {

            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }

    // 求出当前数据有效数据个数
    public int size(){
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    // 显示队列的头数据，注意不是取出数据
    public int headQueue() {
        // 判断队列是否空
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空，无数据~");
            throw new RuntimeException("队列为空，不能读取数据~");
        }
        return arr[front];
    }

}

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文章由极客之音整理，本文链接：https://www.bmabk.com/index.php/post/142590.html

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