Java數據結構之隊列（Queue）

1.使用場景

銀行排隊的案例：

2.隊列介紹

隊列是一個有序列表，可以用數組或是鏈表來實現。

遵循先入先出的原則：

• 先存入隊列的數據，要先取出。
• 后存入的要后取出

示意圖：(使用數組模擬隊列示意圖)

3.實現方式1：數組模擬隊列

思路分析

隊列本身是有序列表，若使用數組的結構來存儲隊列的數據，則隊列數組的聲明如下圖, 其中 maxSize 是該隊列的最大容量。

• front 是隊列最前元素之前一個位置【不含最前】
• rear 是隊列最后元素 【含最后】
• 插入隊列，判斷是否已滿，將尾指針往后移：rear++，然后插入arr[rear]
• 移出隊列，判斷是否為空，將前指針往后移：front++，然后移出arr[front]
• 隊列為空判斷條件：當front == rear 【空】
• 隊列是否滿判斷條件：rear == maxSize - 1【隊列滿】

代碼實現

// 使用數組模擬隊列-編寫一個ArrayQueue類
class ArrayQueue {
    private int maxSize; // 表示數組的最大容量
    private int front; // 隊列頭
    private int rear; // 隊列尾
    private int[] arr; // 該數據用於存放數據, 模擬隊列

    // 創建隊列的構造器
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1; // 指向隊列頭部，分析出front是指向隊列頭的前一個位置.
        rear = -1; // 指向隊列尾，指向隊列尾的數據(即就是隊列最后一個數據)
    }

    // 判斷隊列是否滿
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize - 1;
    }

    // 判斷隊列是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    // 添加數據到隊列
    public void addQueue(int n) {
        // 判斷隊列是否滿
        if (isFull()) {
            System.out.println("隊列滿，不能加入數據~");
            return;
        }
        rear++; // 讓rear 后移
        arr[rear] = n;
    }

    // 獲取隊列的數據, 出隊列
    public int getQueue() {
        // 判斷隊列是否空
        if (isEmpty()) {
            // 通過拋出異常
            throw new RuntimeException("隊列空，不能取數據");
        }
        front++; // front后移
        return arr[front];

    }

    // 顯示隊列的所有數據
    public void showQueue() {
        // 遍歷
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("隊列空的，沒有數據~~");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
        }
    }

    // 顯示隊列的頭數據， 注意不是取出數據
    public int headQueue() {
        // 判斷
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("隊列空的，沒有數據~~");
        }
        return arr[front + 1];
    }
}

出現問題

目前數組不能復用，用一次就用不了了

優化方式：將數組模擬成環形隊列

4. 數組模擬環形隊列

思路：

1.front變量的含義做調整：front指向隊列的第一個元素，即arr[front]就是隊列的第一個元素

2.rear變量的含義做調整：rear指向隊列的最后一個元素的后一個元素，因為希望空出一個空間作為約定（隊列實際容量=maxSize-1，理解為防止指向超出數組范圍的地方報錯）。

3.當隊列滿時，條件是：(rear + 1) % maxSize == front [滿] 

4.當隊列空時，條件是：rear == front [空]

5.隊列中有效數據的個數：(rear + maxSize - front) % maxSize

6.插入隊列時，判斷隊滿，先插入隊列arr[rear]，然后rear++

7.移出隊列時，判斷隊空，先移出隊列arr[front]，然后front++

代碼實現

class CircleArray {
    private int maxSize; // 表示數組的最大容量
    //front 變量的含義做一個調整： front 就指向隊列的第一個元素, 也就是說 arr[front] 就是隊列的第一個元素 
    //front 的初始值 = 0
    private int front; 
    //rear 變量的含義做一個調整：rear 指向隊列的最后一個元素的后一個位置. 因為希望空出一個空間做為約定.
    //rear 的初始值 = 0
    private int rear; // 隊列尾
    private int[] arr; // 該數據用於存放數據, 模擬隊列
    
    public CircleArray(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
    }
    
    // 判斷隊列是否滿
    public boolean isFull() {
        return (rear  + 1) % maxSize == front;
    }
    
    // 判斷隊列是否為空
    public boolean isEmpty() {
        return rear == front;
    }
    
    // 添加數據到隊列
    public void addQueue(int n) {
        // 判斷隊列是否滿
        if (isFull()) {
            System.out.println("隊列滿，不能加入數據~");
            return;
        }
        //直接將數據加入
        arr[rear] = n;
        //將 rear 后移, 這里必須考慮取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }
    
    // 獲取隊列的數據, 出隊列
    public int getQueue() {
        // 判斷隊列是否空
        if (isEmpty()) {
            // 通過拋出異常
            throw new RuntimeException("隊列空，不能取數據");
        }
        // 這里需要分析出 front是指向隊列的第一個元素
        // 1. 先把 front 對應的值保留到一個臨時變量
        // 2. 將 front 后移, 考慮取模
        // 3. 將臨時保存的變量返回
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;

    }
    
    // 顯示隊列的所有數據
    public void showQueue() {
        // 遍歷
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("隊列空的，沒有數據~~");
            return;
        }
        // 思路：從front開始遍歷，遍歷多少個元素
        // 動腦筋
        for (int i = front; i < front + size() ; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }
    
    // 求出當前隊列有效數據的個數
    public int size() {
        // rear = 2
        // front = 1
        // maxSize = 3 
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;   
    }
    
    // 顯示隊列的頭數據， 注意不是取出數據
    public int headQueue() {
        // 判斷
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("隊列空的，沒有數據~~");
        }
        return arr[front];
    }
}