队列和循环队列

队列

• 队列首先是一个有序列表，即可以用数组或是链表来实现
• 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：

数组模拟队列

• 队列本身就是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则使用maxsize表示该队列的最大容量

• 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和rear分别记录队列的前后端，front随着队列的输出而改变，rear随着队列的输入而改变。

• addQueue: 添加时，rear+1,rear = front 表示队列为空 当rear == maxsize - 1 时 表示队列满，无法在存入数据

代码实现

• 添加数据

• 取出数据

• 把所有的数据都取出，但是仍然不能添加数据
• 

代码

package com.wiselee.queue;

import jdk.internal.util.xml.impl.ReaderUTF8;

import java.util.Scanner;

/**
 * @PROJECT_NAME: DataStruct
 * @DESCRIPTION:
 * @USER: 28416
 * @DATE: 2022/11/27 13:22
 * 使用数组来模拟队列
 */
public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        char key  = ' ';//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        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.showList();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数字");
                    int add = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(add);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据为%d\n",res);
                    }catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头数据为%d\n",res);
                    }catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}
//使用数组来模拟队列
class ArrayQueue{
    private  int  maxSize;//表示数组的最大容量
    private  int front;//队列头
    private  int rear;//队列尾部
    private  int[] arr;//存放数据

    //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  指向队列的前一个数据
        rear = -1;//指向队列尾部
    }

    /**
     * 判断是否为满
     * @return
     */
    public  boolean isFull(){
        return rear == maxSize -1;
    }

    /**
     * 判断是否为空
     * @return
     */
    public  boolean isEmpty() {
        return  front == rear;
    }

    /**
     * 队列添加数据
     * @param n
     */
    public void addQueue(int n){
        if (isFull()){
            System.out.println("队列满，不能加入数据");
            return;
        }
        rear++;//rear后移
        arr[rear] = n;
    }

    /**
     * 出队列
     * @return
     */
    public int getQueue(){
        if (isEmpty()){
           throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据");
        }
        front ++;
        return  arr[front];
    }

    /**
     * 显示所有的数据
     */
    public void showList(){
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);
        }
    }
    public int headQueue(){
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空，无数据");
        }
        return arr[front+1];
    }

}

源码地址:https://gitee.com/lmr0226/DataStruct/blob/master/src/com/wiselee/queue/ArrayQueueDemo.java

** 问题分析并优化**

• 目前数组使用一次就不能用，没有达到复用的效果
• 将这个数组使用算法，改成为一个环形的队列。 取模：%

** 模拟环形队列**

思路如下：

• 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
• rear变量的含义做一个调整：rear指向队列最后一个原始的最后一个位置，因为希望留出一个空间作为约定
• 队列满时，条件 是(rear+1) % maxsize = front 满
• 队列为空的条件 rear == front 空
• rear front 初试值为 1
• 队列中有效的数据的个数(rear+maxsize -front)%maxsize
• 我们可以在原来的数组上进行修改

测试示意图：

** 代码实现**

• 循环队列添加元素

• 取出数据

• 重新添加新的数据

代码

package com.wiselee.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 * @PROJECT_NAME: DataStruct
 * @DESCRIPTION:
 * @USER: 28416
 * @DATE: 2022/11/27 13:22
 * 使用数组来模拟队列
 */
public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        char key  = ' ';//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        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.showList();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数字");
                    int add = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(add);
                    break;
                case 'g':
                    try {
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据为%d\n",res);
                    }catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.printf("队列头数据为%d\n",res);
                    }catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }
}

//使用数组来模拟队列
class CircleArrayQueue{
    private  int  maxSize;//表示数组的最大容量
    private  int front;//指向队列的第一个元素
    private  int rear;//指向队列的最后一个元素的后一个位置(因为需要牺牲一个空间来完成循环队列)
    private  int[] arr;//存放数据

    //创建队列的构造器
    public CircleArrayQueue(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new  int[maxSize];
        front = 0;
        rear = 0;
    }

    /**
     * 判断是否为满
     * @return
     */
    public  boolean isFull(){

        return (rear+1)%maxSize == front;
    }

    /**
     * 判断是否为空
     * @return
     */
    public  boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    /**
     * 队列添加数据
     * @param n
     */
    public void addQueue(int n){
        if (isFull()){
            System.out.println("队列满，不能加入数据");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        rear = (rear+1)%maxSize;//rear后移
    }

    /**
     * 出队列
     * @return
     */
    public int getQueue(){
        if (isEmpty()){
           throw new RuntimeException("队列为空，不能取数据");
        }
        int res = arr[front];
        front = (front+1)%maxSize;
        return  res;
    }

    /**
     * 显示所有的数据
     */
    public void showList(){
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空");
            return;
        }
        //思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
        for (int i = front; i < front+((rear+maxSize-front)%maxSize); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
        }
    }
    public int headQueue(){
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列空，无数据");
        }
        return arr[front];
    }

}

源码地址:https://gitee.com/lmr0226/DataStruct/blob/master/src/com/wiselee/queue/CircleArrayQueueDemo.java