Java 单向队列及环形队列

• 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

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• 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];
      }
  }
  

• 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

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• 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;
                  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];
  
      }
  }

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• 最后：

  部分内容参考自B站韩顺平老师java数据结构课程，由于笔者水平有限，整理的博文中难免有不不足和理解不对的地方，欢迎留言批评指正。码字不易，调试费神。欢迎转载转发，但请注明出处。如有帮助，欢迎打赏一杯咖啡调试bug。