03、数据结构与算法 - 基础：队列

1、队列介绍

• 队列是一个有序列表，可以用数组或链表来实现，数组实现的叫做顺序队列，链表实现的叫做链式队列
• 队列遵循先进先出的原则
• enqueue：入队，队列尾部存入一个元素
• dequeue：出队，队列头部取出一个元素

2、数组模拟队列

2.1 数组模拟队列思路

队列本身是有序列表，我们使用数组结构来存储队列的数据

队列有一个最大容量 maxSize，需要有两个变量 head 和 tail 分别记录队列前后端的下标，head 随着数据输出改变，tail 随着数据输入改变。

将尾指针往后移，tail + 1，当 head == tail，队列为空

如果尾指针 tail 小于队列的最大下标 maxSize - 1，将数据存放到 tail 所指的数组元素中，否则无法存入数据。tail = maxSize - 1 时，队列满

2.2 数组模拟队列代码实现

package com.queue;

import java.util.Scanner;

public class ArrayQueueDemo {
   
     

    public static void main(String[] args) {
   
     

        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean quit = true;
        String key = "";
        System.out.println("add【添加数据】");
        System.out.println("get【出队列】");
        System.out.println("show【获取所有数据】");
        System.out.println("tail【获取尾部数据】");
        System.out.println("head【获取头部数据】");
        System.out.println("exit【退出】");
        while (quit){
   
     
            key = scanner.next();
            switch (key){
   
     
                case "add" :
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case "get":
                    try {
   
     
                        System.out.println(arrayQueue.getQueue());
                    } catch (Exception e) {
   
     
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "show" :
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case "tail" :
                    try {
   
     
                        System.out.println(arrayQueue.tailQueue());
                    } catch (Exception e) {
   
     
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "head" :
                    try {
   
     
                        System.out.println(arrayQueue.headQueue());
                    } catch (Exception e) {
   
     
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "exit" :
                    quit = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}

class ArrayQueue {
   
     
    private int maxSize; // 数组最大容量
    private int head; // 指向队列头部（不包含），队列头的前一个位置
    private int tail; // 指向队列尾部（包含），队列尾的最后一个数据位置
    private int[] array; // 存放数据，模拟队列

    // 队列构造方法
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
   
     
        maxSize = arrMaxSize;
        array = new int[maxSize];
        head = -1;
        tail = -1;
    }

    // 判断队列是否已满
    public boolean isFull() {
   
     
        return tail == maxSize - 1;
    }

    // 判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
   
     
        return tail == head;
    }

    // 添加数据到队列中，入队列
    public void addQueue(int n) {
   
     
        // 判断队列是否已满
        if (isFull()) {
   
     
            System.out.println("队列已满，无法加入数据");
            return;
        }
        // tail 后移一位位置添加数据 n
        tail++;
        array[tail] = n;
    }

    // 获取队列数据，出队列
    public int getQueue() {
   
     
        // 判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
   
     
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        // 将 head 后移一位，取出数据
        head++;
        return array[head];
    }

    // 显示所有的数据
    public void showQueue() {
   
     
        if (isEmpty()) {
   
     
            System.out.println("队列为空，没有数据");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < array.length; i++) {
   
     
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i, array[i]);
        }
    }

    // 显示队列头部数据
    public int headQueue() {
   
     
        if (isEmpty()) {
   
     
            throw new RuntimeException("队列为空，头部没有数据");
        }
        return array[head+1];
    }

    // 显示队列尾部数据
    public int tailQueue() {
   
     
        if (isEmpty()) {
   
     
            throw new RuntimeException("队列为空，尾部没有数据");
        }
        return array[tail];
    }

}

3、数组模拟环形队列

3.1 数组模拟环形队列思路

head 原来指向第一个元素的前一个元素，现在指向第一个元素，array[head] 就是队列的第一个元素，tail 和 head 的初始值为 0

tail 原来指向队列的最后一个位置，现在指向队列最后一个元素的后一个位置，空出一个空间作为约定空间

当队列满时，(tail + 1) % maxSize == head：最后元素后一个位置 +1 与 数组大小取模，结果等于 head 的位置队列满

当队列空时，tail == head

队列中有效数据的个数为：(tail + maxSize - head) % maxSize

3.2 数组模拟环形队列代码实现

package com.queue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
   
     
    public static void main(String[] args) {
   
     
		// 最大值为 4，可用为 3，一个作为约定空间，不占用
        CircleArrayQueue arrayQueue = new CircleArrayQueue(4);
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean quit = true;
        String key = "";
        System.out.println("add【添加数据】");
        System.out.println("get【出队列】");
        System.out.println("show【获取所有数据】");
        System.out.println("tail【获取尾部数据】");
        System.out.println("head【获取头部数据】");
        System.out.println("exit【退出】");
        while (quit){
   
     
            key = scanner.next();
            switch (key){
   
     
                case "add" :
                    int value = scanner.nextInt();
                    arrayQueue.addQueue(value);
                    break;
                case "get":
                    try {
   
     
                        System.out.println(arrayQueue.getQueue());
                    } catch (Exception e) {
   
     
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "show" :
                    arrayQueue.showQueue();
                    break;
                case "tail" :
                    try {
   
     
                        System.out.println(arrayQueue.tailQueue());
                    } catch (Exception e) {
   
     
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "head" :
                    try {
   
     
                        System.out.println(arrayQueue.headQueue());
                    } catch (Exception e) {
   
     
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case "exit" :
                    quit = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }

}
class CircleArrayQueue {
   
     
    private int maxSize; // 数组最大容量
    private int head; // 指向队列第一个元素
    private int tail; // 指向队列尾部最后数据后一个位置
    private int[] array; // 存放数据，模拟队列

    // 队列构造方法
    public CircleArrayQueue(int arrMaxSize) {
   
     
        maxSize = arrMaxSize;
        array = new int[maxSize];
    }

    // 判断队列是否已满
    public boolean isFull() {
   
     
        return (tail + 1) % maxSize == head;
    }

    // 判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
   
     
        return tail == head;
    }

    // 添加数据到队列中，入队列
    public void addQueue(int n) {
   
     
        // 判断队列是否已满
        if (isFull()) {
   
     
            System.out.println("队列已满，无法加入数据");
            return;
        }
        // tail 位置添加数据 n
        array[tail] = n;
        // tail 后移，考虑取模
        tail = (tail + 1) % maxSize;
    }

    // 获取队列数据，出队列
    public int getQueue() {
   
     
        // 判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
   
     
            throw new RuntimeException("队列为空，无法取出数据");
        }
        // head 指向队列的第一个元素
        int value = array[head];
        head = (head + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    // 显示所有的数据
    public void showQueue() {
   
     
        if (isEmpty()) {
   
     
            System.out.println("队列为空，没有数据");
            return;
        }
        for (int i = head; i < head + size(); i++) {
   
     
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i % maxSize, array[i % maxSize]);
        }
    }

    // 获取队列有效数据的个数
    public int size(){
   
     
        return (tail + maxSize - head) % maxSize;
    }

    // 显示队列头部数据
    public int headQueue() {
   
     
        if (isEmpty()) {
   
     
            throw new RuntimeException("队列为空，头部没有数据");
        }
        return array[head];
    }

    // 显示队列尾部数据
    public int tailQueue() {
   
     
        if (isEmpty()) {
   
     
            throw new RuntimeException("队列为空，尾部没有数据");
        }
        return array[tail-1];
    }

}