队列实战

- 日理万妓 2021-07-24 15:24 357阅读 0赞

# 一 队列的一个应用场景 #

银行排队

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncWl1bWluZw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

# 二 队列介绍 #

1 队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。

2 遵循先入先出的原则。即： 先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出。

3 示意图：(使用数组模拟队列)

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncWl1bWluZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

# 三 数组模拟队列 #

## 1 分析 ##

a 队列本身是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则队列数组的声明如上图, 其中 maxSize 是该队列的最大容量。

b 因为队列的输出、输入是分别从队列前后端来处理，因此需要两个变量 front 及 rear 分别记录队列前后端的下标，front 会随着数据输出而改变，而 rear 则是随着数据输入而改变。

c 当我们将数据存入队列时称为"addQueue"，addQueue 的处理需要有两个步骤:

1) 将尾指针往后移：rear+1 , 当 front == rear时，队列为空。

2) 若尾指针 rear 小于队列的最大下标 maxSize-1，则将数据存入 rear 所指的数组元素中，否则无法存入数据。当 rear == maxSize - 1，表示队列满。

## 2 代码 ##

package com.atguigu.queue;
    
    import java.util.Scanner;
    
    public class ArrayQueueDemo {
    
        /**
         * 功能描述：队列测试
         *
         * @param args 命令行
         * @author cakin
         * @date 2021/2/28
         */
        public static void main(String[] args) {
            // 创建一个队列
            ArrayQueue queue = new ArrayQueue(3);
    		// 接收用户输入
            char key = ' ';
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            boolean loop = true;
            // 输出一个菜单
            while (loop) {
                System.out.println("s(show): 显示队列");
                System.out.println("e(exit): 退出程序");
                System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
                System.out.println("g(get): 从队列取出数据");
                System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
                key = scanner.next().charAt(0); // 接收一个字符
                switch (key) {
                    case 's':
                        queue.showQueue();
                        break;
                    case 'a':
                        System.out.println("输出一个数");
                        int value = scanner.nextInt();
                        queue.addQueue(value);
                        break;
                    case 'g': // 取出数据
                        try {
                            int res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case 'h': // 查看队列头的数据
                        try {
                            int res = queue.headQueue();
                            System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case 'e': //退出
                        scanner.close();
                        loop = false;
                        break;
                    default:
                        break;
                }
            }
            System.out.println("程序退出");
        }
    }
    
    /**
     * @className: ArrayQueueDemo
     * @description: 使用数组模拟队列
     * @date: 2021/2/28
     * @author: cakin
     */
    class ArrayQueue {
        private int maxSize; // 表示数组的最大容量
        private int front; // 队列头
        private int rear; // 队列尾
        private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列
    
        // 创建队列的构造器
        public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
            maxSize = arrMaxSize;
            arr = new int[maxSize];
            front = -1; // 指向队列头部，front是指向队列头的前一个位置.
            rear = -1; // 指向队列尾，指向队列尾的数据(即就是队列最后一个数据)
        }
    
        // 判断队列是否满
        public boolean isFull() {
            return rear == maxSize - 1;
        }
    
        // 判断队列是否为空
        public boolean isEmpty() {
            return rear == front;
        }
    
        // 添加数据到队列
        public void addQueue(int n) {
            // 判断队列是否满
            if (isFull()) {
                System.out.println("队列满，不能加入数据~");
                return;
            }
            rear++; // 让rear 后移
            arr[rear] = n;
        }
    
        // 获取队列的数据, 出队列
        public int getQueue() {
            // 判断队列是否空
            if (isEmpty()) {
                // 通过抛出异常
                throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
            }
            front++; // front后移
            return arr[front];
    
        }
    
        // 显示队列的所有数据
        public void showQueue() {
            // 遍历
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("队列空的，没有数据");
                return;
            }
            for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
                System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
            }
        }
    
        // 显示队列的头数据， 注意不是取出数据
        public int headQueue() {
            // 判断是否为空
            if (isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("队列空的，没有数据~~");
            }
            return arr[front + 1];
        }
    }

## 3 测试 ##

s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    10
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    20
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    30
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    s
    arr[0]=10
    arr[1]=20
    arr[2]=30
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    40
    队列满，不能加入数据~
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    g
    取出的数据是10
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    g
    取出的数据是20
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    g
    取出的数据是30
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    g
    队列空，不能取数据
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    40
    队列满，不能加入数据~
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据

## 4 问题分析并优化 ##

1) 目前数组使用一次就不能用， 没有达到复用的效果。

2) 将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列，我们可以采用取模来实现环形队列。

# 四 数组模拟环形队列 #

对前面的数组模拟队列的优化，使用取模的方式，将队列优化为一个环形队列。

## 1 算法分析 ##

a 尾索引的下一个为头索引时表示队列满，即将队列容量空出一个作为约定,这个在做判断队列满的时候需要注意。当 (rear + 1) % maxSize == front ，表示队列满。

b 当 rear == front，表示队列空。

c 分析示意图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NoZW5ncWl1bWluZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

2 代码实现

package com.atguigu.queue;
    
    import java.util.Scanner;
    
    public class CircleArrayQueueDemo {
    
        /**
         * 功能描述：环形队列测试
         *
         * @param args 命令行
         * @author cakin
         * @date 2021/2/28
         */
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("测试数组模拟环形队列");
    
            // 创建一个环形队列
            // 设置为4, 其队列的有效数据最大是3
            CircleArray queue = new CircleArray(4);
            // 接收用户输入
            char key = ' ';
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
            boolean loop = true;
            // 输出一个菜单
            while (loop) {
                System.out.println("s(show): 显示队列");
                System.out.println("e(exit): 退出程序");
                System.out.println("a(add): 添加数据到队列");
                System.out.println("g(get): 从队列取出数据");
                System.out.println("h(head): 查看队列头的数据");
                key = scanner.next().charAt(0); // 接收一个字符
                switch (key) {
                    case 's':
                        queue.showQueue();
                        break;
                    case 'a':
                        System.out.println("输出一个数");
                        int value = scanner.nextInt();
                        queue.addQueue(value);
                        break;
                    case 'g': // 取出数据
                        try {
                            int res = queue.getQueue();
                            System.out.printf("取出的数据是%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
                            System.out.println(e.getMessage());
                        }
                        break;
                    case 'h': // 查看队列头的数据
                        try {
                            int res = queue.headQueue();
                            System.out.printf("队列头的数据是%d\n", res);
                        } catch (Exception e) {
                            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; // 表示数组的最大容量
        // front 变量的含义做一个调整： front 就指向队列的第一个元素, 也就是说 arr[front] 就是队列的第一个元素
        // front 的初始值 = 0
        private int front; // 队列头
        // rear 变量的含义做一个调整：rear 指向队列的最后一个元素的后一个位置. 因为希望空出一个空间做为约定.
        // rear 的初始值 = 0
        private int rear; // 队列尾
        private int[] arr; // 该数据用于存放数据, 模拟队列
    
        public CircleArray(int arrMaxSize) {
            maxSize = arrMaxSize;
            arr = new int[maxSize];
        }
    
        // 判断队列是否满
        public boolean isFull() {
            return (rear + 1) % maxSize == front;
        }
    
        // 判断队列是否为空
        public boolean isEmpty() {
            return rear == front;
        }
    
        // 添加数据到队列
        public void addQueue(int n) {
            // 判断队列是否满
            if (isFull()) {
                System.out.println("队列满，不能加入数据");
                return;
            }
            // 直接将数据加入
            arr[rear] = n;
            // 将 rear 后移, 这里必须考虑取模
            rear = (rear + 1) % maxSize;
        }
    
        // 获取队列的数据, 出队列
        public int getQueue() {
            // 判断队列是否空
            if (isEmpty()) {
                // 通过抛出异常
                throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
            }
            // 这里需要分析出 front是指向队列的第一个元素
            // 1 先把 front 对应的值保留到一个临时变量
            // 2 将 front 后移, 考虑取模
            // 3 将临时保存的变量返回
            int value = arr[front];
            front = (front + 1) % maxSize;
            return value;
    
        }
    
        // 显示队列的所有数据
        public void showQueue() {
            // 遍历
            if (isEmpty()) {
                System.out.println("队列空的，没有数据");
                return;
            }
            // 从front开始遍历，遍历队列所有有效元素
            //
            for (int i = front; i < front + size(); i++) {
                System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
            }
        }
    
        // 求出当前队列有效数据的个数
        public int size() {
            // rear = 2
            // front = 1
            // maxSize = 3
            return (rear + maxSize - front) % maxSize;
        }
    
        // 显示队列的头数据， 注意不是取出数据
        public int headQueue() {
            // 判断
            if (isEmpty()) {
                throw new RuntimeException("队列空的，没有数据");
            }
            return arr[front];
        }
    }

## 3 测试 ##

测试数组模拟环形队列
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    10
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    20
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    g
    取出的数据是10
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    s
    arr[1]=20
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    50
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    60
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    s
    arr[1]=20
    arr[2]=50
    arr[3]=60
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据
    a
    输出一个数
    10
    队列满，不能加入数据
    s(show): 显示队列
    e(exit): 退出程序
    a(add): 添加数据到队列
    g(get): 从队列取出数据
    h(head): 查看队列头的数据

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