3、队列-数组模拟环形队列

来源：https://www.bilibili.com/video/BV1B4411H76f?p=15

一、思路

1、环形队列的属性依然包括：队列的最大容量（maxSize），队列头指针（front），队列尾指针（rear），以及用来存放数据的数组(arr)；

2、需要注意的是，在此不能通过【指针++】的形式给下标赋值，这里用取模的方式实现下标的计算；

3、通过取模的形式，那么头指针和尾指针的初始值不应该被定义为-1，这里两者的初始值为0；

4、这里同样需要判断队列为空还是队列满，如果在当前状态下，头指针和尾指针重叠不好判断到底是空还是满，因此给队列加了一个【约定位置】。假设队列的大小想设置为3，那么加入【约定位置】之后，用来模拟队列的数组arr的大小应该是4。在不取出数据的情况下，front=0，当添加完第3个数据时，尾指针所在的位置是下标3，其下一个位置就是下标0（环形），由此可以判断队列满；同理，添加完3个数据后，想要取出，依次取出3个数据后，头指针所在的位置是下标3，两者重叠，由此判断队列空。这样就可以区分开了。

二、实现

1、创建一个代表队列的类，并将队列头指针和尾指针初始化为0。用来模拟队列的数组arr的大小为队列的大小+1。此处默认要添加的数据为int类型

public class CircleArrayQueue {
    private int maxSize;//队列大小
    private int front;//头指针
    private int rear;//尾指针
    private int[] arr;//模拟队列的数组

    //构造器 环形不能像以前一样 【尾指针++】 【头指针++】 通过取模的方式给两个指针赋值
    //不能再用-1这个初值，于是给maxSize多加了一个【约定位置】，代替之前的-1位置。多出的不用于存值
    public CircleArrayQueue(int maxSize) {
        this.maxSize = maxSize + 1;//多出一个作为约定
        this.front = 0;//便于取模
        this.rear = 0;//便于取模
        this.arr = new int[this.maxSize];
    }
}

2、在CircleArrayQueue类中增加一个向队列中添加数据的方法。由于只有队列不满时才可以添加，因此还要额外添加一个判断队列满的函数。

    //判断队列满 尾指针处于【约定位置】时，下个是头指针，则满
    public boolean isFull(){
        return (rear+1) % maxSize == front;
    }
    //添加数据
    // 原：添加时rear++，加入数据
    // 现：rear初始为0 添加数据后的新位置为（rear+1）% maxSize
    //添加完最后一个，指针会指向【约定位置】 若中间没有取值，该【约定位置】的下一个位置对应的就是头指针的位置。下次添加就会判断为队列满
    public void addData(int data){
        if(this.isFull()){
            System.out.println("队列已满，不能继续添加数据");
        }else {
            arr[rear] = data;
            rear =(rear+1) % maxSize;
        }
    }

3、在CircleArrayQueue类中增加一个展示队列数据的方法，测试一下增加数据的功能。由于只有当队列不为空时才能对数据进行展示，因此需要再添加一个判断队列空的方法。此外，展示数据这里用的是for循环，因此还添加了一个计算当前队列的有效数据个数的方法。

    //判断队列空 尾指针处于【约定位置】时 头指针也处于【约定位置】 则空
    public boolean isEmpty(){
        return rear == front;
    }

    //计算队列的有效数据个数
    public int dataCount(){
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }
    public void showData(){
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，不能展示数据");
        }else {
            for (int i = front; i < front+dataCount();i++){
                System.out.printf("arr[%d]=%d  ",i % maxSize,arr[i % maxSize]);
            }
        }
    }    

对增加数据的功能进行测试

    public static void main(String[] args) {
        int maxSize = 3;
        CircleArrayQueue circleArrayQueue = new CircleArrayQueue(maxSize);

        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        circleArrayQueue.showData();

        while (true){
            int value = sc.nextInt();
            circleArrayQueue.addData(value);
            circleArrayQueue.showData();
        }
    }

结果

队列为空，不能展示数据
1
arr[0]=1  
2
arr[0]=1  arr[1]=2  
3
arr[0]=1  arr[1]=2  arr[2]=3  
4
队列已满，不能继续添加数据
arr[0]=1  arr[1]=2  arr[2]=3 

4、在CircleArrayQueue类中增加一个出队列功能。同时展示当前的头指针。

    public int removeData(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无法移除数据");
        }else{
            int val = arr[front];
            front = (front + 1) % maxSize;
            return val;
        }
    }

    //输出头指针对应的内容
    public int headPoint(){
        if(this.isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空，无法寻找头指针");
        }else {
            return arr[front];
        }
    }

测试

    public static void main(String[] args) {
        int maxSize = 3;
        CircleArrayQueue circleArrayQueue = new CircleArrayQueue(maxSize);
        circleArrayQueue.addData(1);
        circleArrayQueue.addData(2);
        circleArrayQueue.addData(3);

        int val = 0;

        val = circleArrayQueue.removeData();
        System.out.println("移除的值为："+val);
        System.out.println("头指针对应的值为："+ circleArrayQueue.headPoint());
        circleArrayQueue.showData();
        System.out.println();

        System.out.println("添加一个数据");

        circleArrayQueue.addData(4);

        circleArrayQueue.showData();

        System.out.println();

        val = circleArrayQueue.removeData();
        System.out.println("移除的值为："+val);
        System.out.println("头指针对应的值为："+ circleArrayQueue.headPoint());
        circleArrayQueue.showData();

        System.out.println();

        val = circleArrayQueue.removeData();
        System.out.println("移除的值为："+val);
        System.out.println("头指针对应的值为："+ circleArrayQueue.headPoint());
        circleArrayQueue.showData();

        System.out.println();

        val = circleArrayQueue.removeData();
        System.out.println("移除的值为："+val);
        System.out.println("头指针对应的值为："+ circleArrayQueue.headPoint());
        circleArrayQueue.showData();

        System.out.println();

        val = circleArrayQueue.removeData();
        System.out.println("移除的值为："+val);
        System.out.println("头指针对应的值为："+ circleArrayQueue.headPoint());
        circleArrayQueue.showData();
    }

结果

移除的值为：1
头指针对应的值为：2
arr[1]=2  arr[2]=3  
添加一个数据
arr[1]=2  arr[2]=3  arr[3]=4  
移除的值为：2
头指针对应的值为：3
arr[2]=3  arr[3]=4  
移除的值为：3
头指针对应的值为：4
arr[3]=4  
移除的值为：4
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: 队列为空，无法寻找头指针
    at com.neuzhaoxin.queue.CircleArrayQueue.headPoint(CircleArrayQueue.java:69)
    at com.neuzhaoxin.queue.CircleArrayQueueTest.main(CircleArrayQueueTest.java:59)

需要注意的是，所谓的【约定位置】对于数组来说是在不断变化的。不要通过数组下标来看这个环形队列，要通过头指针看其具体变化。