Java 單向隊列及環形隊列的實現原理
隊列的特點
1.可以使用數組和鏈表兩種方式來實現。
2.遵循先入先出(FIFO)的規則，即先進入的數據先出。
3.屬於有序列表。
圖解實現過程：
1.定義一個固定長度的數組，長度為maxSize。
2.設置兩個指針first = -1（指向隊列第一個數據的前一位，這樣保證在添加第一個數據以後頭指針為0，和數組的下標一樣，且用於操作出隊）和last = -1(指向隊尾，用於操作入隊)。
3.即first會因為出隊操作而增加，last會因為入隊操作而增加
代碼實現：
package 隊列;
public class ArrayQueueTest {
public static void main(String[] args) {
ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
arrayQueue.addQueue("瓊");
arrayQueue.addQueue("贇");
arrayQueue.addQueue("瓏");
arrayQueue.showAllQueueData();
System.out.println(arrayQueue.getQueue());
}
}
class ArrayQueue{
private int maxSize;//定義隊列的最大長度
private int first ;//指向隊列頭的前一個位置！！前一個位置！！出隊方向
private int last ;//指向隊列尾部!!即最後一個數據！！！入隊方向
private String[] arr; //先建一個空的數組，具體長度未知，需要maxSize來確定。
//構造器初始化隊列信息
public ArrayQueue(int maxSize){
this.maxSize = maxSize;
this.first = -1;
this.last = -1;
arr = new String[maxSize];
}
//判斷是否為空
public boolean isEmpty(){
if (first == last) {
System.out.println("隊列為空~~");
return true;
}else {
System.out.println("隊列不為空~~");
return false;
}
}
//判斷隊列是否滿
public boolean isFull(){
if (last == maxSize-1) {
System.out.println("隊列已滿~~");
return true;
}else {
System.out.println("隊列未滿~~");
return false;
}
}
//入隊
public void addQueue(String data){
if (last == maxSize-1){
System.out.println("隊列已滿，不能再添加！！");
return;
}else {
last++; //添加數據隻和末尾下標有關
arr[last] = data;
return;
}
}
//出隊
public String getQueue(){
if (isEmpty()) {
//因為getQueue方法是int型，需要返回數據，如果無數據，也需要返回
//如果返回-1或者其他數據，會讓人誤解獲取到的數就是-1或者其他
//所以用拋出異常來處理
throw new RuntimeException("隊列為空，無數據~~");
}
else {
first++;
return arr[first];
}
}
//遍歷隊列所有信息
public void showAllQueueData(){
if (first == last){
return;
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.println("arr["+i+"]"+"="+arr[i]);
}
}
//獲取隊列頭數據
public String headQueueData(){
if (isEmpty()){
throw new RuntimeException("無數據~~~");
}
return arr[++first];
}
}
隊列缺點：
由於出隊操作，使得first指針上移變大，導致數組前面空出來的位置就不能再繼續添加數據，即不能再被重復使用，這樣一個隊列隻能使用一次，內存效率太低，所以需要使用環形隊列來優化解決。
優化解決——環形隊列實現思路
1.first指針初始默認設置為0，指向隊列頭部，則arr[first] 就是第一個數據。
2.last指針初始默認也為0，但是會隨著增加數據而後移。
3.隊列滿的條件：
(last + 1) % maxSize == first
last+1是為瞭讓指針後移，而且如果不設置為 last+1 那麼一開始的時候last為0 ， last % maxSize == 0，且first也為0，還沒加數據就滿瞭。
4.隊列為空的條件：
first == last
5.由於判斷是否滿的時候： last+1 ，導致實際上可以裝的數據比數組長度少 1
環形隊列各步驟及各方法實現講解
1.隊列初始化 ：
class CircleArryQueue{
private int maxSize ; //數組長度，即隊列最大容量
private int first; //頭指針，控制出隊操作
private int last; //尾指針，控制入隊操作
private int[] arr; //數組類型，可以換其他的。
//構造器初始化信息
public CircleArryQueue(int maxSize){
this.maxSize = maxSize;
this.arr = new int[maxSize];
this.first = 0; //這兩個可以不加，不叫也是默認為0
this.last = 0;
}
}
2.判斷隊列是否為空：
public boolean isEmpty(){
//頭指針和尾指針一樣 則說明為空
return last == first;
}
3.判斷隊列是否滿：
/*
*這裡的 last+1 主要是為瞭讓指針後移，特別是在隊列尾部添加數據的時候，本來用last也可以判斷，但
*是一開始還沒加數據的時候，如果直接用last % maxSize == first，結果是true，所以為瞭解決指針後*移和判斷是否滿，用來last+1。其次，因為last+1可能會導致數組指針越界，所以用取模來控制它的范 * 圍，同時保證他會在一個固定的范圍循環變換，也利於環形隊列的實現。
*/
public boolean isFull(){
return (last + 1) % maxSize == first;
}
4.添加數據到隊列尾部：入隊
public void pushData(int data){
//先判斷是否滿瞭
if(isFull()){
System.out.println("隊列已經滿啦~~");
return;
}
arr[last] = data;
//last+1是為瞭後移，取模是為瞭避免指針越界，同時可以讓指針循環
last = (last + 1) % maxSize;
}
5.取出隊首數據：出隊
public int popData(){
if (isEmpty()) {
//拋異常就可以不用返回數據瞭
new RuntimeException("隊列為空，沒有獲取到數據~~");
}
//要先把first對應的數組數據保存——>first後移——>返回數據
int value = arr[first];
//first+1的操作和last+1是一樣的，取模也是
first = (first+1) % maxSize;
System.out.println(value);
return value;
//如果不保存first指針 那麼返回的數據就不對瞭
//如果直接返回數據，那first指針還沒後移 也不對，所以需要使用第三方變量
}
6.展示隊列中所有數據：
public void showAllData(){
if (isEmpty()) {
System.out.println("隊列為空，沒有數據~~");
return;
}
//此處i不為0，是因為有可能之前有過popData()操作，使得firs不為0，所以最好使用
//first給i動態賦值，
for (int i = first; i < first+size() ; i++) {
System.out.println("arr["+i%maxSize+"]"+arr[i%maxSize]);
}
7.獲取隊列中數據的總個數：
public int dataNum(){
//韓順平老師的教程上是這樣寫，但是我理解不瞭..........。
return (last+maxSize-first) % maxSize;
}
8.查看隊首數據但不彈出：
public void seeFirstData(){
return arr[first];
}
全部代碼整合：
package 練習;
import java.util.Scanner;
public class CircleArryQueue {
public static void main(String[] args){
CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);
System.out.println("--------測試環形隊列--------");
char key = ' ';
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean flag = true;
while (flag){
System.out.println("s(showAllData):查看隊列數據");
System.out.println("p(pushData):隊尾添加數據");
System.out.println("g(popData):彈出隊頭數據");
System.out.println("h(seefirstData)：獲取隊頭數據");
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("輸入一個數據：");
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("程序結束~~~");
}
}
class CircleQueue {
private int maxSize ; //數組長度，即隊列最大容量
private int first; //頭指針，控制出隊操作
private int last; //尾指針，控制入隊操作
private int[] arr; //數組類型，可以換其他的。
//構造器初始化信息
public CircleQueue(int maxSize){
this.maxSize = maxSize;
this.arr = new int[maxSize];
this.first = 0; //這兩個可以不加，不叫也是默認為0
this.last = 0;
}
public boolean isEmpty(){
//頭指針和尾指針一樣 則說明為空
return last == first;
}
/*
*這裡的 last+1 主要是為瞭讓指針後移，特別是在隊列尾部添加數據的時候，本來用last也可以判斷但
*是一開始還沒加數據的時候，如果直接用last % maxSize == first，結果是true，所以為瞭解決指針
*後移和判斷是否滿，用來last+1。其次，因為last+1可能會導致數組指針越界，所以用取模來控制它
*的范圍，同時保證他會在一個固定的范圍循環變換，也利於環形隊列的實現。
*/
public boolean isFull(){
return (last + 1) % maxSize == first;
}
public void pushData(int data){
//先判斷是否滿瞭
if(isFull()){
System.out.println("隊列已經滿啦~~");
return;
}
arr[last] = data;
//last+1是為瞭後移，取模是為瞭避免指針越界，同時可以讓指針循環
last = (last + 1) % maxSize;
}
public int popData(){
if (isEmpty()) {
//拋異常就可以不用返回數據瞭
throw new RuntimeException("隊列為空，沒有獲取到數據~~");
}
//要先把first對應的數組數據保存——>first後移——>返回數據
int value = arr[first];
//first+1的操作和last+1是一樣的，取模也是
first = (first+1) % maxSize;
System.out.println(value);
return value;
//如果不保存first指針 那麼返回的數據就不對瞭
//如果直接返回數據，那first指針還沒後移 也不對，所以需要使用第三方變量
}
//查看所有數據
public void showAllData(){
if (isEmpty()) {
System.out.println("隊列為空，沒有數據~~");
}
//此處i不為0，是因為有可能之前有過popData()操作，使得firs不為0，所以最好使用
//first給i動態賦值，
for (int i = first; i < first+dataNum() ; i++) {
System.out.println("arr["+i%maxSize+"]"+arr[i%maxSize]);
}
}
//查看有效數據個數
public int dataNum(){
//韓順平老師的教程上是這樣寫，但是我理解不瞭..........。
return (last+maxSize-first) % maxSize;
}
//查看隊列第一個數據
public int seeFirstData(){
System.out.println(arr[first]);
return arr[first];
}
}
最後：
部分內容參考自B站韓順平老師java數據結構課程
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