數據結構之隊列(queue)

時間 2019-12-08

標籤數據結構隊列 queue 简体版

原文原文鏈接

隊列介紹

1.隊列是一個有序列表，能夠用數組或是鏈表來實現。java

2.遵循先入先出的原則。即：先存入隊列的數據，要先取出。後存入的要後取出。git

應用場景

好比某某銀行叫號系統：github

數組模擬隊列

隊列自己是有序列表，若使用數組的結構來存儲隊列的數據，則隊列數組的聲明以下圖, 其中 maxSize 是該隊列的最大容量。算法

由於隊列的輸出、輸入是分別從先後端來處理，所以須要兩個變量 front及 rear分別記錄隊列先後端的下標，front 會隨着數據輸出而改變，而 rear則是隨着數據輸入而改變後端

示意圖：(使用數組模擬隊列示意圖)數組

當咱們將數據存入隊列時稱爲」addQueue」，addQueue 的處理須要有兩個步驟：思路分析ide

1.將尾指針日後移：rear+1 , 當front == rear 【空】oop

2.若尾指針 rear 小於隊列的最大下標 maxSize-1，則將數據存入 rear所指的數組元素中，不然沒法存入數據。 rear == maxSize - 1[隊列滿]測試

代碼實現：優化

package com.queueArray;

import java.util.Scanner;

/**
 * Created by wanbf on 2019/6/1.  隊列
 */
public class QueueAarray {

    public static void main(String[] args) {
        //測試一把
        //建立一個隊列
        ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
        char key = ' '; //接收用戶輸入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
        boolean loop = true;
        //輸出一個菜單
        while(loop) {
            System.out.println("s(show): 顯示隊列");
            System.out.println("e(exit): 退出程序");
            System.out.println("a(add): 添加數據到隊列");
            System.out.println("g(get): 從隊列取出數據");
            System.out.println("h(head): 查看隊列頭的數據");
            key = scanner.next().charAt(0);//接收一個字符
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("輸出一個數");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': //取出數據
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的數據是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h': //查看隊列頭的數據
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("隊列頭的數據是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        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

    // 建立隊列的構造器
    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(即就是隊列最後一個數據)
    }

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

    // 判斷隊列是否爲空
    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 後移
        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()) {
            // 經過拋出異常
            throw new RuntimeException("隊列空，不能取數據");
        }
        front++; // front後移
        return arr[front];

    }

    // 顯示隊列的全部數據
    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];
    }

}

代碼

問題分析並優化：

1.目前數組使用一次就不能使用了，沒有達到複用的效果。

2.將這個數組使用算法，改進成一個環形的隊列，取模：%

數組模擬環形隊列

對前面的數組模擬隊列的優化，充分利用數組

所以將數組看作是一個環形的。(經過取模的方式來實現便可)

分析說明：

1.尾索引的下一個爲頭索引時表示隊列滿，即將隊列容量空出一個做爲約定,這個在作判斷隊列滿的時候須要注意 (rear + 1) % maxSize == front 滿]

2.rear == front [空]

3.測試示意圖:

代碼實現：

package com.queueArray;

import java.util.Scanner;

/**
 * Created by wanbf on 2019/6/1.   環形隊列
 */
public class CircleQueueArray {

    public static void main(String[] args) {
        //測試一把
        System.out.println("測試數組模擬環形隊列的案例~~~");

        // 建立一個環形隊列
        CircleArray queue = new CircleArray(4); //說明設置4, 其隊列的有效數據最大是3
        char key = ' '; // 接收用戶輸入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
        boolean loop = true;
        // 輸出一個菜單
        while (loop) {
            System.out.println("s(show): 顯示隊列");
            System.out.println("e(exit): 退出程序");
            System.out.println("a(add): 添加數據到隊列");
            System.out.println("g(get): 從隊列取出數據");
            System.out.println("h(head): 查看隊列頭的數據");
            key = scanner.next().charAt(0);// 接收一個字符
            switch (key) {
                case 's':
                    queue.showQueue();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("輸出一個數");
                    int value = scanner.nextInt();
                    queue.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': // 取出數據
                    try {
                        int res = queue.getQueue();
                        System.out.printf("取出的數據是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h': // 查看隊列頭的數據
                    try {
                        int res = queue.headQueue();
                        System.out.printf("隊列頭的數據是%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        // TODO: handle exception
                        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; // 表示數組的最大容量
    //front 變量的含義作一個調整： 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 變量的含義作一個調整：rear 指向隊列的最後一個元素的後一個位置. 由於但願空出一個空間作爲約定.
    //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;
    }

    // 判斷隊列是否爲空
    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 後移, 這裏必須考慮取模
        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()) {
            // 經過拋出異常
            throw new RuntimeException("隊列空，不能取數據");
        }
        // 這裏須要分析出 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 後移, 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;

    }

    // 顯示隊列的全部數據
    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];
    }
}