Java數據結構與算法之循環隊列的實現

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概述

從今天開始, 小白我將帶大傢開啟 Jave 數據結構 & 算法的新篇章.

循環隊列

循環隊列 (Circular Queue) 是一種特殊的隊列. 循環隊列解決瞭隊列出隊時需要將所有數據前移一位 (復雜度為 O(n)) 的問題.

循環隊列的底層依然是數組, 不過增加瞭指向頭和尾的指針.

循環隊列實現

  1. 判斷隊列是否為空: 當頭指針 Q.front == 尾指針 Q.rear, 隊列為空
  2. 判斷隊列是否為滿: 當頭指針 Q.front == 尾指針 Q.rear + 1) % Maxsize, 隊列為滿

改變隊列大小

// 改變隊列大小
private void resize(int capacity) {
	// 定義新數組
    E[] newData = (E[]) new Object[capacity + 1];
    
    // 轉移數組元素
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        newData[i] = data[(i +front) % data.length];
    }

    // 更新
    data = newData;
    front = 0;
    rear = size;
}

enqueue 方法

// 入隊
public void enqueue(E e) {

    // 判斷是否為滿
    if((rear + 1) % data.length == front) {
        resize(getCapacity() * 2);
    }

    // 隊伍加入
    data[rear] = e;
    rear = (rear + 1) % data.length;
    size++;
}

dequeue 方法

// 出隊
public E dequeue() {

    // 判斷是否為空
    if(isEmpty()) {
        throw new RuntimeException("隊列為空");
    }

    // 取出第一個元素
    E element = data[front];
    data[front] = null;

    // 移動頭指針
    front = (front + 1) % data.length;

    // 數組大小-1
    size--;

    // 判斷是否需要縮小
    if(size==getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) {
        resize(getCapacity() / 2);
    }

    return element;
}

main

// 主函數
public static void main(String[] args) {

    // 創建循環隊列
    CircularQueue<Integer> queue = new CircularQueue<>(5);

    // 入隊
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        queue.enqueue(i);
        System.out.println(queue);
    }

    // 出隊
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        queue.dequeue();
        System.out.println(queue);
    }
}

輸出結果:

CircularQueue{data=[0, null, null, null, null, null], front=0, rear=1, size=1}

CircularQueue{data=[0, 1, null, null, null, null], front=0, rear=2, size=2}

CircularQueue{data=[0, 1, 2, null, null, null], front=0, rear=3, size=3}

CircularQueue{data=[0, 1, 2, 3, null, null], front=0, rear=4, size=4}

CircularQueue{data=[0, 1, 2, 3, 4, null], front=0, rear=5, size=5}

CircularQueue{data=[0, 1, 2, 3, 4, 5, null, null, null, null, null], front=0, rear=6, size=6}

CircularQueue{data=[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, null, null, null, null], front=0, rear=7, size=7}

CircularQueue{data=[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, null, null, null], front=0, rear=8, size=8}

CircularQueue{data=[null, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, null, null, null], front=1, rear=8, size=7}

CircularQueue{data=[null, null, 2, 3, 4, 5, 6, 7, null, null, null], front=2, rear=8, size=6}

CircularQueue{data=[null, null, null, 3, 4, 5, 6, 7, null, null, null], front=3, rear=8, size=5}

CircularQueue{data=[null, null, null, null, 4, 5, 6, 7, null, null, null], front=4, rear=8, size=4}

CircularQueue{data=[null, null, null, null, null, 5, 6, 7, null, null, null], front=5, rear=8, size=3}

CircularQueue{data=[6, 7, null, null, null, null], front=0, rear=2, size=2}

CircularQueue{data=[7, null, null], front=0, rear=1, size=1}

CircularQueue{data=[null, null], front=0, rear=0, size=0}

完整代碼 

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;

public class CircularQueue<E> {

    private E[] data;
    private int front, rear;
    private int size;

    // 無參構造
    public CircularQueue() {
        this(10);
    }

    // 有參構造
    public CircularQueue(int capacity) {
       data = (E[]) new Object[capacity + 1];
       front = rear = size = 0;
    }

    // 入隊
    public void enqueue(E e) {

        // 判斷是否為滿
        if((rear + 1) % data.length == front) {
            resize(getCapacity() * 2);
        }

        // 隊伍加入
        data[rear] = e;
        rear = (rear + 1) % data.length;
        size++;
    }

    // 出隊
    public E dequeue() {

        // 判斷是否為空
        if(isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("隊列為空");
        }

        // 取出第一個元素
        E element = data[front];
        data[front] = null;

        // 移動頭指針
        front = (front + 1) % data.length;

        // 數組大小-1
        size--;

        // 判斷是否需要縮小
        if(size==getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) {
            resize(getCapacity() / 2);
        }

        return element;
    }

    // 獲取隊列大小
    public int getSize() {
        return size;
    }

    // 獲取隊列容量
    public int getCapacity() {
        return data.length - 1;
    }

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

    // 改變隊列大小
    private void resize(int capacity) {

        // 創建新數組
        E[] newData = (E[]) new Object[capacity + 1];

        // 轉移數組元素
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            newData[i] = data[(i +front) % data.length];
        }

        // 更新
        data = newData;
        front = 0;
        rear = size;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "CircularQueue{" +
                "data=" + Arrays.toString(data) +
                ", front=" + front +
                ", rear=" + rear +
                ", size=" + size +
                '}';
    }

    // 主函數
    public static void main(String[] args) {

        // 創建循環隊列
        CircularQueue<Integer> queue = new CircularQueue<>(5);

        // 入隊
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            queue.enqueue(i);
            System.out.println(queue);
        }

        // 出隊
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            queue.dequeue();
            System.out.println(queue);
        }
    }
}

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