数组模拟单向队列的思路及代码
JAVA实现数组模拟单向队列的思路及代码
一、什么是队列？
队列是一种特殊的线性表 ，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。 进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。 队列中没有元素时，称为空队列。 队列的数据元素又称为队列元素。
二、队列的特点及存储数据的方式
- 队列是一种先进先出的线性存储结构，即谁先入队谁就先出队列。
三、创建单向数组队列类前思考
考虑到单向队列存取数据的特点，要想创建一个单向数组队列类，我们需要设立如下几个类属性：
- front：用于指向队列头部前一个的位置
- rear：用于指向队列尾部，用来指向队列尾部数据的一个指针
- maxSize：代表创建的该单向队列数组的最大存储容量
- front和rear的初始值都是-1。
以上属性的定义在如下代码预设计中可以体会的更加深刻，继续往下看！
四、单向数组队列类的预设计
①单向数组队列类的初始设计
/**
* ClassName: directionalArrQueue
* Package: com.zhao.test
* Description:
*
* @Author XH-zhao
* @Create 2023/3/25 16:04
* @Version 1.0
*/
public class DirectionalArrQueue {
private final int[] arrQueue; // 创建的数组队列的地址引用
private final int arrMaxSize; // 代表创建的该单向队列数组的最大存储容量
private int front; // 用于指向队列头部前一个的位置
private int rear; // 用于指向队列尾部，用来指向队列尾部数据的一个指针
/**
* 单向数组队列构造函数
* @param arrMaxSize 传入想要构造的队列长度
*/
public DirectionalArrQueue(int arrMaxSize) {
this.arrMaxSize = arrMaxSize;
arrQueue = new int[this.arrMaxSize];
// 将前后标记均指向队列的最前方（-1位置）
front = -1;
rear = -1;
}
}
class test{
public static void main(String[] args) {
// 创建一个单向数组队列
DirectionalArrQueue queue = new DirectionalArrQueue(4);
}
}
通过以上单向数组队列类的设计，就可创建一个如下的单向数组队列对象。
②判断数组队列是否为空或为满
从前后两个指针标记角度考虑，由于rear的初始值为-1，增加队列成员的时候rear指针肯定要先向前移一位，再将队列成员的值添加到队列当中，在拿取队列成员的时候，front指针标记也是一样，要先向前移一位然后拿取对应指针下标标记的队列成员（由于对应下标的队列成员已经被取出，所以我们描述front的含义时说其总是指向队列头部前一个的位置）。
由上述增添和拿取队列成员的过程可以发现，每当两个指针相遇时（即rear == front），队列便是空的状态。
从上述增添队列成员过程中对rear标记的描述中，我们可以发现每次添加完队列成员后，rear标记总是指向队列尾部成员。所以我们可以推断出当rear位于数组队列最后的时候（即rear == arrMaxSize - 1），可以判定为队列已经满了。
/**
* 判断该队列是否为空
* @return
*/
public boolean isNull() {
return rear == front;
}
/**
* 判断该队列是否已经存满了数据
* @return
*/
public boolean isFull() {
return rear == arrMaxSize - 1;
}
代码测试：
public static void main(String[] args) {
// 创建一个单向数组队列
DirectionalArrQueue queue = new DirectionalArrQueue(4);
// 判断队列是否为空
boolean aNull = queue.isNull();
System.out.println("队列是否为空:" + aNull);
// 判断队列是否为满
boolean full = queue.isFull();
System.out.println("队列是否为满:" + full);
}
测试结果：
队列是否为空:true
队列是否为满:false
由于我们还没有完善增添和拿取队列成员的方法，所以此刻的单向队列queue肯定是空的。
③完善数组队列增添和拿取队列成员的方法
在充分理解②中我对增添和拿取队列成员的描述中，front和rear的含义以及标记的移动过程的情况下，理解如下增添和拿取队列成员的方法实现。
/**
* 添加队列成员到队列
*
* @param member
*/
public void addQueueMember(int member) {
// 先判断该队列是否满了,如果没满,则可以把数据添加到该队列
if (isFull()) {
System.out.println("该数列已满,不能再添加数据了");
return;
}
// 该队列没满的情况下执行下面的代码
rear++;
arrQueue[rear] = member;
}
/**
* 从队列中拿取队列成员
*
* @return
*/
public int getQueueMember() {
// 从队列取队列成员时,先判断该队列是否为空
if (isNull()) {
// 如果执行到这里,就代表该队列是空的,所以执行时,抛出一个异常
throw new RuntimeException("该队列为空,不能再进行出列操作了");
// 抛出异常之后，就自己return了,所以不用再写return了，再在这个异常下面写代码就会
// 之所以使用抛异常的方式结束,而不使用return 0;是因为防止成员队列就是数值0,产生误导
}
front++; // front后移
return arrQueue[front]; // 把从队列中取到的队列成员返回
}
后续为方便整体测试代码，不再逐步对方法进行测试，查看测试结果请继续往下学习！
④增加获取队列头成员和展示所有队列成员的方法实现
/**
* 得到队列的第一个队列成员,即头部成员注意 不是取出头部成员，无需对front做++操作
*
* @return
*/
public int getHeadMember() {
if (isNull()) {
// 如果队列为空,则抛出异常
throw new RuntimeException("该队列为空,取不到头部数据");
}
// 这里只是显示头部成员,所以front指针不往后移,只需要在arr[]中让front+1就可以了。
return arrQueue[front + 1];
}
/**
* 显示队列的所有成员
*/
public void showAllMember() {
// 先判断该队列是否为空
if (isNull()) {
System.out.println("该队列为空,取不到数据");
return;
}
for (int i = 0; i < arrQueue.length; i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arrQueue[i]);
}
}
五、实验测试单向数组队列的代码准确性
①单向队列实现以及测试的整体代码
import java.util.Scanner;
/**
* ClassName: directionalArrQueue
* Package: com.zhao.test
* Description:
*
* @Author XH-zhao
* @Create 2023/3/25 16:04
* @Version 1.0
*/
public class DirectionalArrQueue {
private final int[] arrQueue; // 创建的数组队列的地址引用
private final int arrMaxSize; // 代表创建的该单向队列数组的最大存储容量
private int front; // 用于指向队列头部前一个的位置
private int rear; // 用于指向队列尾部，用来指向队列尾部数据的一个指针
/**
* 单向数组队列构造函数
*
* @param arrMaxSize 传入想要构造的队列长度
*/
public DirectionalArrQueue(int arrMaxSize) {
this.arrMaxSize = arrMaxSize;
arrQueue = new int[this.arrMaxSize];
// 将前后标记均指向队列的最前方（-1位置）
front = -1;
rear = -1;
}
/**
* 判断该队列是否为空
*
* @return
*/
public boolean isNull() {
return rear == front;
}
/**
* 判断该队列是否已经存满了数据
*
* @return
*/
public boolean isFull() {
return rear == arrMaxSize - 1;
}
/**
* 添加队列成员到队列
*
* @param member
*/
public void addQueueMember(int member) {
// 先判断该队列是否满了,如果没满,则可以把数据添加到该队列
if (isFull()) {
System.out.println("该数列已满,不能再添加数据了");
return;
}
// 该队列没满的情况下执行下面的代码
rear++;
arrQueue[rear] = member;
}
/**
* 从队列中拿取队列成员
*
* @return
*/
public int getQueueMember() {
// 从队列取队列成员时,先判断该队列是否为空
if (isNull()) {
// 如果执行到这里,就代表该队列是空的,所以执行时,抛出一个异常
throw new RuntimeException("该队列为空,不能再进行出列操作了");
// 抛出异常之后，就自己return了,所以不用再写return了，再在这个异常下面写代码就会
// 之所以使用抛异常的方式结束,而不使用return 0;是因为防止成员队列就是数值0,产生误导
}
front++; // front后移
return arrQueue[front]; // 把从队列中取到的队列成员返回
}
/**
* 得到队列的第一个队列成员,即头部成员注意 不是取出头部成员，无需对front做++操作
*
* @return
*/
public int getHeadMember() {
if (isNull()) {
// 如果队列为空,则抛出异常
throw new RuntimeException("该队列为空,取不到头部数据");
}
// 这里只是显示头部成员,所以front指针不往后移,只需要在arr[]中让front+1就可以了。
return arrQueue[front + 1];
}
/**
* 显示队列的所有成员
*/
public void showAllMember() {
// 先判断该队列是否为空
if (isNull()) {
System.out.println("该队列为空,取不到数据");
return;
}
for (int i = 0; i < arrQueue.length; i++) {
System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arrQueue[i]);
}
}
}
class test {
public static void main(String[] args) {
//测试--创建一个队列
DirectionalArrQueue queue = new DirectionalArrQueue(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); //接收用户输入的第一个字符
switch (key) {
case 's' -> queue.showAllMember();
case 'e' -> {
scanner.close();
loop = false;
System.out.println("程序退出");
}
case 'a' -> {
System.out.println("请输入一个整数");
int a = scanner.nextInt();
queue.addQueueMember(a);
}
case 'g' -> {
try {
int res = queue.getQueueMember();
System.out.println(res);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
case 'h' -> {
try {
int head = queue.getHeadMember();
System.out.println(head);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
}
}
}
②测试结果
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
该队列为空,取不到数据
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
请输入一个整数
2
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
arr[0]=2
arr[1]=0
arr[2]=0
arr[3]=0
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
g
2
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
该队列为空,取不到数据
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
请输入一个整数
3
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
arr[0]=2
arr[1]=3
arr[2]=0
arr[3]=0
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
请输入一个整数
5
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
arr[0]=2
arr[1]=3
arr[2]=5
arr[3]=0
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
g
3
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
h
5
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
arr[0]=2
arr[1]=3
arr[2]=5
arr[3]=0
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
请输入一个整数
7
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
s
arr[0]=2
arr[1]=3
arr[2]=5
arr[3]=7
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
请输入一个整数
8
该数列已满,不能再添加数据了
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
g
5
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
g
7
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
g
该队列为空,不能再进行出列操作了
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
a
请输入一个整数
2
该数列已满,不能再添加数据了
s(show):显示队列
e(exit):退出程序
a(add):添加数据到队列
g(get):从队列取出数据
h(head):查看队列头的数据
六、实验总结
从上述整体实验中可以看出，单向数组队列类的设计，完全呈现出了队列存储数据先进先出的特点。
单向数组队列的缺点
但在其中我们发现，单向数组队列存在一个明显的缺点，它是"一次性"的。在队列增添和拿取队列成员的过程中，前后标记指针在不断往队列数组的末端移动，导致就算队列数组前面的成员被取出之后，队列数组前面的数组空间不能复用，导致我们的队列顶多只能添加并拿取maxSize个成员。这很明显不是我们想要的！
那么我们如何将取出后的数组队列空间复用呢？
答案是实现环形数组队列！如何实现环形数组队列，我将在《JAVA实现数组模拟环形队列的思路及代码》一问中说明。
