Java 单向队列及环形队列的实现原理

Java 单向队列及环形队列的实现原理

目录队列的特点图解实现过程：优化解决——环形队列实现思路环形队列各步骤及各方法实现讲解最后：

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;

http:// 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

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