Java数组队列及环形数组队列超详细讲解

2022-11-13 17:11:57 队列 数组 环形

一、队列

1、基本介绍

队列是一种特殊的线性表，特殊之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作，和栈一样，队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾，进行删除操作的端称为队头。

2、示意图

3、队列的特点

先进先出：

在队列中插入一个队列元素称为入队，从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入，在另一端删除，所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除，故队列又被称为先进先出。

二、数组模拟队列

1、数组队列初始化

根据图示进行初始化：

class ArrayQueue{
    private int maxSize; //表示数组最大容量
    private int front; //队列头
    private int rear; //队列尾
    private int[] arr; //该数组用于存放数据，模拟队列
    //创建队列构造器，进行初始化
    public ArrayQueue(int arrMaxSize){
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
        front = -1; //front指向队列头的前一个位置
        rear = -1; //指向队列尾
    }
}

2、判断方法

判断队列是否为空

front 是指向队列的头的前一个位置，rear是指向队列的尾，当front和rear重合时，队列为空。

public boolean isEmpty(){
        return rear == front;
    }

判断队列是否满

因为数组有最大容量，所以直接判断rear（队列尾）是否在数组的最后位置。数组的下标从零开始。

public boolean isFull(){
        return rear == maxSize - 1;
    }

3、增删改查的方法

向队列中添加数据，入队列

▷ 添加数据首先判断数组是否满，如果满，则无法添加数据，数组未满则只需要动 rear（进行尾部移动），rear先加一，然后在数组中存放数据。

    //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，不能再添加");
            return;
        }
        rear++; //让rear后移
        arr[rear] = n;
    }

删除队列中数据，出队列

▷ 因为队列的特点先进先出，所以我们需要动队列的头，当然首先应该判断队列是否为空，为空则不能出队列；然后（front是指向队列头的前一个位置）先将front 加一到达队列的头的位置，再把这个值返回即可。有人可能会问队列的头呢？当front == -1时，数组下标为0 的数据为头，一旦front进行加一后，数组下标为1的数据就为头了，也就是当front进行变化后队列的头就变了。

    //获取队列数据，出队列
    public int getQueue(){
        //判断队列是否为空
        if(isEmpty()){
            //通过抛出异常
            throw new RuntimeException("队列为空，不能获取数据");
        }
        front++; //front后移
        return arr[front];
    }

显示队列中所有数据

▷ 因为是数组模拟的队列，将数组进行遍历输出即可。

    //显示队列的所有数据
    public void showQueue(){
        //判断是否为空
        if(isEmpty()){
            System.out.println("队列为空，没有数据");
            return;
        }
        //遍历
        for(int i = 0; i < arr.length ; i++){
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i , arr[i] );
        }
    }

4、注意

这样的数组队列是不可逆的，当front在数组的末尾时，这个数组队列就不可用了，因为front 和 rear 不能循环到数组的前面去，所以这样的数组队列是非常局限的。而链表队列，就是队列是由单链表形成的，就没有数组大小的限制，可以无限的入队列和出队列，单链表的操作非常的简单，后续的文章会介绍。那么数组队列是否也可以无限入队列和出队列呢？当然可以，那么怎么可以实现呢？数组队列的局限在哪里？不就是front 和 rear 的指向不能回过头来指向数组的空位置。

只要解决了front 和 rear 能够返回到数组的空位置，是不是就能解决这个局限性的问题呢，因为出队列和入队列都是通过 front 和 rear 操作的。

三、数组模拟环形队列

1、初始化

数组的最大容量实际要少一个，因为我们要预留一个空位置，也就是任何时候数组要多一个空位置，便于我们循环。

class CircleTest{
    private int maxSize;//最大容量
    private int start;//表示队列的头
    private int end;//表示队列的尾的下一个，要预留一个空位
    private int[] arr;//数组用来存放数据
    public CircleTest(int maxSize){
        this.maxSize = maxSize;
        arr = new int[maxSize];
        //start和end默认初始化为0，所以不需要写
    }
}

2、判断方法

判断队列是否为空

start是指向队列的头，end是指向队列的尾的下一个，当start和end重合时，队列为空。

public boolean isEmpty(){
        return start == end;
    }

判断队列是否满

因为此时的数组队列可以循环，所以判断是否满的方法要用算法，让队列尾位置下标加一对总容量取余即可，然后判断是否等于start，比如：end = 2 ，start = 3

计算 （end + 1）% maxSize = （2 + 1）% 4 = 3 ，计算结果等于start ，所以是满状态，因为前面说了要预留一个位置，所以容量为4，实际存放数据为3个。

public boolean isFull(){
        return (end + 1) % maxSize == start;;
    }

计算数组中的有效数据

计算有效数据我们要用到一种取余的算法，算法式： (end + maxSize - start) % maxSize ，用队列头加上总容量减去队列尾再对总容量取余。比如：end = 0 ，start = 3

时，有效数据为 （1 + 4 - 3）% 4 = 2，所以有效数据为2个。

public int size(){
        return (end + maxSize - start) % maxSize;
    }

3、增删改查的方法

向队列中添加数据，入队列

首先判断队列是否满，然后因为我们早已预留了一个位置（end指向的位置是空的），所以加入的数据位置可以直接加入到队列（arr[end] = n）；环形队列是要无限循环下去的，所以在加入数据后，end 的指向不能直接加一，而要用算法计算end的下一个位置，此算法为：(end + 1) % maxSize

比如：start = 2，end = 3 ，此时添加一个数据 end 的位置移动到在哪里？

根据算法(end + 1) % maxSize = （3 + 1) % 4 = 0 ,所以 end 指向数组下标为0 的位置。如此，就形成了循环。

    public void aDDData(int n){
        //先判断是否满
        if (isFull()){
            System.out.println("数据已满，无法添加");
            return;
        }
        //当前end的位置，加入元素
        arr[end] = n;
        //end指向下一个位置为(end + 1) % maxSize
        end = (end + 1) % maxSize;
    }

删除队列中数据，出队列

首先判断是否为空，然后将要出队列的数据用一个中间变量暂存起来，然后将start 移动，移动到的位置和上面end 的移动方式相同，也是用取余算法：(start + 1) % maxSize 即可。

    public int removeData(){
        //判断是否为空
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("数据为空，不能移除");
        }
        //先将数据暂存
        int temp = arr[start];
        //然后将start往后移到(start + 1) % maxSize的位置
        start = (start + 1) % maxSize;
        return temp;
    }

显示队列中所有数据

因为是循环队列，所以位置是无限变化的，所以每次for循环的开始位置为start 所在的位置，要循环的次数取决于数组中的有效数据的个数，及前面我们写的有效个数的算法拿来直接用（ start + size() ），取余的方式 ：i % maxSize ，可以时时确定数组数据的下标。

    public void showData(){
        //判断是否为空
        if(isEmpty()){
            System.out.println("数据为空，不能显示");
            return;
        }
        for (int i = start; i < start + size() ; i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i % maxSize,arr[i % maxSize]);
        }
    }

注意：

循环的关键点在于 start 和 end 指向的下一个位置的确定，队列头和尾的位置可以回过头来，那么就能实现循环，而位置的确定，需要用到取余这个算法，前面的列子可以看出，指向发生变化时都是用的取余算法来确定位置，这个是数组中常见的一种算法，可以记住。

到此这篇关于Java数组队列及环形数组队列超详细讲解的文章就介绍到这了,更多相关Java数组队列内容请搜索以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持！

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