002-队列

队列的应用场景

银行排队的案例

队列的介绍

队列是一个有序列表,可以用数组或是链表实现
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：（使用数组模拟队列示意图）

数组模拟队列思路

队列本身是有序列表，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 会随着数据输出而改变，而 rear则是随着数据输入而改变，如图所示:

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：思路分析

1.将尾指针往后移：rear+1 , 当front == rear 【空】

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

代码实现：

package com.atguigu.queue;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
    //测试一把
    //创建一个队列
    ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
    char key = ' ';//接受用户输入
    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':
                queue.showQueue();
                break;
            case 'a':
                System.out.println("输出一个数");
                int value = scanner.nextInt();
                queue.addQueue(value);
                break;
            case 'g'://取出数据
                try {
                    int res = queue.getQueue();
                    System.out.printf("取出的数据是%d
", res);
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'h'://查看队列头的数据
                try {
                    int res = queue.headQueue();
                    System.out.printf("队列头的数据是%d
", res);
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'e'://退出
                scanner.close();
                loop = false;
                break;
            default:
                break;
        }
    }
    System.out.println("程序退出");
}
}

//使用数组队列编写一个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;//该数据用于存放数据,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,分析出front是指向队列头的前一个位置
    rear = -1;//指向队列尾,指向队列尾的数据(即就是队列最后一个数据)
}

//判断队列是否满
public boolean isFull() {
    return rear == maxSize - 1;
}

//判断队列是否为空
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,不能添加数据");
        return;
    }
    rear++;//让rear后移
    arr[rear] = n;
}

//获取队列的数据,出队列
public int getQueue() {
    //判断是否为空
    if (isEmpty()) {
        //通过抛出异常
        throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
    }
    front++;//front后移
    return arr[front];
}

//显示队列的所有数据
public void showQueue() {
    //遍历
    if (isEmpty()) {
        System.out.println("队列空的,没有数据");
        return;
    }
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        System.out.printf("arr[%d]=%d
", i, arr[i]);
    }
}

//显示队列的头部,注意不是取出数据
public int headQueue() {
    //判断
    if (isEmpty()) {
        throw new RuntimeException("队列空的,没有数据");
    }
    return arr[front + 1];
  }
}

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，改进形成一个环形的队列取模：%

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,因此将数组看作是一个环形的.(通过取模的方式来实现即可)

分析说明:

尾索引的下一个为头索引时表示队满,即将队列容量空出一个作为约定,这个在做判断队满的时候需要注意(rear + 1)%maxSize == front[满]
rear == front[空]
分析示意图:

代码实现

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String[] args) {
    //测试一把
    System.out.println("测试数组模拟环形队列的方案");
    //创建一个环形队列
    CircleArray queue = new CircleArray(4);//说明这里设置的4,其队列的有效数据是3a
    char key = ' ';//接受用户输入
    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':
                queue.showQueue();
                break;
            case 'a':
                System.out.println("输出一个数");
                int value = scanner.nextInt();
                queue.addQueue(value);
                break;
            case 'g'://取出数据
                try {
                    int res = queue.getQueue();
                    System.out.printf("取出的数据是%d
", res);
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'h'://查看队列头的数据
                try {
                    int res = queue.headQueue();
                    System.out.printf("队列头的数据是%d
", res);
                } catch (Exception e) {
                    System.out.println(e.getMessage());
                }
                break;
            case 'e'://退出
                scanner.close();
                loop = false;
                break;
            default:
                break;
        }
    }
    System.out.println("程序退出");
  }
}

class CircleArray {
private int maxSize;//表示数组的最大容量
//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arr[front]
//front 的初始值 = 0
private int front;
//rear 便量的含义作一个调整: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
//real 初始值 = 0
private int rear;//队列尾
private int[] arr;//该数据用于存放数据,模拟队列

public CircleArray(int arrMaxSize) {
    maxSize = arrMaxSize;
    arr = new int[maxSize];
}

//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,不能添加数据");
        return;
    }
    //直接将数据加入
    arr[rear] = n;
    //将real后移,这里必须考虑取模
    rear = (rear + 1) % maxSize;
}

//获取队列的数据,出队列
public int getQueue() {
    //判断是否为空
    if (isEmpty()) {
        //通过抛出异常
        throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
    }
    //这里需要分析出front是指向队列的第一个元素
    //1.先把front对应的值保留到一个临时变量
    //2.将front后移,考虑取模
    //3.将临时的保存的变量返回
    int value = arr[front];
    front = (front + 1) % maxSize;
    return value;
}

//显示队列的所有数据
public void showQueue() {
    //遍历
    if (isEmpty()) {
        System.out.println("队列空的,没有数据");
        return;
    }
    //思路:从front开始遍历,遍历多少个元素
    //动脑筋
    for (int i = front; i < front + size(); i++) {
        System.out.printf("arr[%d]=%d
", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
    }
}

//求出当前队列有效数据的个数
public int size() {
    //rear = 2
    //front = 1
    //maxSize = 3
    return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}

//显示队列的头部,注意不是取出数据
public int headQueue() {
    //判断
    if (isEmpty()) {
        throw new RuntimeException("队列空的,没有数据");
    }
    return arr[front];
  }
}

资源来自:http://www.atguigu.com/download.shtml