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【队列】数组模拟普通队列和环形队列

code • 2022-5-13 • java • 阅读 23

【队列】数组模拟普通队列和环形队列,第1张

数组模拟队列和环形队列

队列是一个序列表，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，后存入队列的数据要后取出。Front记录队列前端的下标，随着数据输出而改变；rear记录后端的下标，随着数据输入而改变。普通队列使用一次就不能用，没有达到复用的效果，改进方法是将数组改成环形队列（通过取模的方式来实现）。

1、思路

判断队列情况，当front ==rear，说明队列是空的；当rear == maxSize-1，说明队列是满的；当rear ＜maxSize-1，说明可以将数据存入rear所指的数组元素中。

2、代码编写

（1）使用数组模拟队列——编写一个ArrayQueue类

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
    private int[] arr;//该数组用于存放数据，模拟队列
    }

（2）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，是指向队列头的前一个位置；
        rear = -1;//指向队列尾，是指向队列最后一个数据
    }

（3）判断队列是否满

public boolean isFull(){
        return rear == maxSize-1;
    }

（4）判断队列是否为空

private boolean isEmpty(){
        return rear == front;
    }

（5）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，不能添加数据到队列");
            return;
        }
        rear++;//让rear后移
        arr[rear] = n;
    }

（6）出队列

public int getQueue(){
       //判断队列是否为空
       if(isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，不能从队列取出数据");//抛出异常
        }
       front++;//front后移
        return arr[front];
    }

（7）显示队列所有数据

public void showQueue(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，不能遍历数据");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);
        }
    }

（8）获取队列的头数据

 public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，不能获取队列的头数据");
        }
        return arr[front++];
    }

（9）主程序，输出一个菜单

 ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        String key = " ";//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        while (loop){
            System.out.println("show：显示队列");
            System.out.println("add：添加数据到队列");
            System.out.println("get：从队列中取出数据");
            System.out.println("head：查看队列头的数据");
            System.out.println("exit：退出程序");
            key = scanner.next();
            switch (key){
                case "show":
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case "add":
                    System.out.println("请输入需要添加到队列的数据n：");
                    int n = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(n);
                    break;
                case "get":
                    try{
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据："+res);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "head":
                    try{
                        int head = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("取出的头部数据："+head);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }

（10）完整代码

public class ArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        String key = " ";//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        while (loop){
            System.out.println("show：显示队列");
            System.out.println("add：添加数据到队列");
            System.out.println("get：从队列中取出数据");
            System.out.println("head：查看队列头的数据");
            System.out.println("exit：退出程序");
            key = scanner.next();
            switch (key){
                case "show":
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case "add":
                    System.out.println("请输入需要添加到队列的数据n：");
                    int n = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(n);
                    break;
                case "get":
                    try{
                        int res = arrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据："+res);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "head":
                    try{
                        int head = arrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("取出的头部数据："+head);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }


    }
}
//使用数组模拟队列——编写一个ArrayQueue类
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
    private int[] arr;//该数组用于存放数据，模拟队列

    //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，是指向队列头的前一个位置；
        rear = -1;//指向队列尾，是指向队列最后一个数据
    }
    //判断队列是否满
    public boolean isFull(){
        return rear == maxSize-1;
    }
    //判断队列是否为空
    private 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，不能添加数据到队列");
            return;
        }
        rear++;//让rear后移
        arr[rear] = n;
    }
    //出队列
    public int getQueue(){
       //判断队列是否为空
       if(isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，不能从队列取出数据");//抛出异常
        }
       front++;//front后移
        return arr[front];
    }
    //显示队列所有数据
    public void showQueue(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，不能遍历数据");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i,arr[i]);
        }
    }
    //获取队列的头数据
    public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，不能获取队列的头数据");
        }
        return arr[front++];
    }
}
3、运行结果

（1）添加数据到队列并显示

（2）获取队列的头数据

（3）从队列中取出数据

4、分析

目前队列存在问题，当数据从队列取出来，队列头部front上去了，即使下面的空间没有数据了，下面的空间也利用不了，因为不是采用环形队列，如下图所示，队列已经为空了，也无法添加数据到队列，导致队列使用一次后就不能再次使用。

5、改进 5.1 思路

目前队列使用一次就不能用，没有达到复用的效果，改进方法是将数组改成环形队列（通过取模的方式来实现）。
（1）front变量的含义做一个调整：front的初始值=0，front由指向队列头的前一个位置改为指向队列头，即arr[front]为队列的第一个元素；
（2）rear变量的含义做一个调整：rear的初始值=0，rear由指向队列尾改为指向队列尾的后一个位置，因为希望空出一个空间作为约定；
（3）队列为空的条件：rearfront；
（4）队列满的条件：(rear+1)%maxSizefront；
（5）队列中有效的数据个数：(rear+maxSize-front)%maxSize。

5.2 代码编写

（1）使用数组模拟环形队列——编写一个CircleArrayQueue类

class CircleArrayQueue{
    private int maxSize;//表示数组的最大容量
    private int front;//队列头
    private int rear;//队列尾
    private int[] arr;//该数组用于存放数据，模拟队列

（2）创建队列的构造器

 public CircleArrayQueue(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front =0;//指向队列头部，是指向队列头；
        rear = 0;//指向队列尾，是指向队列最后一个数据
    }

（3）判断队列是否满

public boolean isFull(){
        return (rear+1)%maxSize == front;
    }

（4）判断队列是否为空

 private boolean isEmpty(){
        return rear == front;
    }

（5）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，不能添加数据到队列");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        rear = (rear+1)%maxSize;//让rear后移
    }

（6）出队列

 public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if(isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，不能从队列取出数据");//抛出异常
        }
        int temp = arr[front];//定义临时变量temp来保存front对应的值
        front = (front+1)%maxSize;//将front后移，考虑取模
        return temp;//将临时保存的变量返回
    }

（7）求出当前队列有效数据的个数

public int size(){
        return (rear+maxSize-front)%maxSize;
    }

（8）显示队列所有数据

public void showQueue(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，不能遍历数据");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front+size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
        }
    }

（9）获取队列的头数据

public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，不能获取队列的头数据");
        }
        return arr[front];
    }

（9）主程序，输出一个菜单

  System.out.println("====采用数组模拟环形队列====");
        CircleArrayQueue circleArrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        String key = " ";//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        while (loop){
            System.out.println("show：显示队列");
            System.out.println("add：添加数据到队列");
            System.out.println("get：从队列中取出数据");
            System.out.println("head：查看队列头的数据");
            System.out.println("exit：退出程序");
            key = scanner.next();
            switch (key){
                case "show":
                    circleArrayQueue.showQueue();
                    break;
                case "add":
                    System.out.println("请输入需要添加到队列的数据n：");
                    int n = scanner.nextInt();
                    circleArrayQueue.addQueue(n);
                    break;
                case "get":
                    try{
                        int res = circleArrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据："+res);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "head":
                    try{
                        int head = circleArrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("取出的头部数据："+head);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }

（10）完整代码

public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("====采用数组模拟环形队列====");
        CircleArrayQueue circleArrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        String key = " ";//接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        while (loop){
            System.out.println("show：显示队列");
            System.out.println("add：添加数据到队列");
            System.out.println("get：从队列中取出数据");
            System.out.println("head：查看队列头的数据");
            System.out.println("exit：退出程序");
            key = scanner.next();
            switch (key){
                case "show":
                    circleArrayQueue.showQueue();
                    break;
                case "add":
                    System.out.println("请输入需要添加到队列的数据n：");
                    int n = scanner.nextInt();
                    circleArrayQueue.addQueue(n);
                    break;
                case "get":
                    try{
                        int res = circleArrayQueue.getQueue();
                        System.out.println("取出的数据："+res);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "head":
                    try{
                        int head = circleArrayQueue.headQueue();
                        System.out.println("取出的头部数据："+head);
                    }
                    catch (Exception e){
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }
    }
//使用数组模拟环形队列——编写一个CircleArrayQueue类
class CircleArrayQueue{
    private int maxSize;//表示数组的最大容量
    private int front;//队列头
    private int rear;//队列尾
    private int[] arr;//该数组用于存放数据，模拟队列

    //创建队列的构造器
    public CircleArrayQueue(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front =0;//指向队列头部，是指向队列头；
        rear = 0;//指向队列尾，是指向队列最后一个数据
    }
    //判断队列是否满
    public boolean isFull(){
        return (rear+1)%maxSize == front;
    }
    //判断队列是否为空
    private 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，不能添加数据到队列");
            return;
        }
        arr[rear] = n;
        rear = (rear+1)%maxSize;//让rear后移
    }
    //出队列
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if(isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空，不能从队列取出数据");//抛出异常
        }
        int temp = arr[front];//定义临时变量temp来保存front对应的值
        front = (front+1)%maxSize;//将front后移，考虑取模
        return temp;//将临时保存的变量返回
    }
    //显示队列所有数据
    public void showQueue(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，不能遍历数据");
            return;
        }
        for (int i = front; i < front+size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n",i%maxSize,arr[i%maxSize]);
        }
    }
    //求出当前队列有效数据的个数
    public int size(){
        return (rear+maxSize-front)%maxSize;
    }

    //获取队列的头数据
    public int headQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，不能获取队列的头数据");
        }
        return arr[front];
    }

}
5.3 运行结果

5.4 分析

使用数组模拟环形队列，实现了环形添加数据。

欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出

原文地址: http://outofmemory.cn/langs/877634.html

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