【数据结构与算法 2】循环队列

一、队列

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。

队列的数据元素又称为队列元素。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，故队列又称为先进先出（FIFO—first in first out）线性表。

二、循环队列

在实际使用队列时，为了使队列空间能重复使用，往往对队列的使用方法稍加改进：无论插入或删除，一旦rear指针增1或front指针增1 时超出了所分配的队列空间，就让它指向这片连续空间的起始位置。自己真从MaxSize-1增1变到0，可用取余运算rear%MaxSize和front%MaxSize来实现。这实际上是把队列空间想象成一个环形空间，环形空间中的存储单元循环使用，用这种方法管理的队列也就称为循环队列。除了一些简单应用之外，真正实用的队列是循环队列。

在循环队列中，当队列为空时，有front=rear，而当所有队列空间全占满时，也有front=rear。为了区别这两种情况，规定循环队列最多只能有MaxSize-1个队列元素，当循环队列中只剩下一个空存储单元时，队列就已经满了。因此，队列判空的条件时front=rear，而队列判满的条件时front=（rear+1）%MaxSize。队空和队满的情况如图：

三、代码实例

CircleArray

package com.atguigu.queue;
 
public class CircleArray {
	private int maxSize;
	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
	
	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("判断队列满");
			return;
		}
		//直接将数据加入
		arr[rear] = n;
		//将rear后移，必须考虑取模
		rear = (rear+1)%maxSize;
	}
	
	//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对应的值保存到一个临时变量
		//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() {
		if(isEmpty()) {
			//通过抛出异常
			throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
		}
		//思路：从front开始遍历，遍历多少个元素
		//动脑筋
		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 = 1 
		// front = 0
		// 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() {
		if(isEmpty()) {
			//通过抛出异常
			throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
		}
		return arr[front];
	}
}

CircleArrayQueueTest 

package com.atguigu.queue;
 
import java.util.Scanner;
 
public class CircleArrayQueueDemo {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("测试模拟环形队列");
		//创建一个队列
		CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);
		char key = ' ';//接收数据输入
		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):退出队列");
			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):查出队列头的数据");
			key = scanner.next().charAt(0);
			switch(key) {
				case 's':
					arrayQueue.showQueue();
					break;
				case 'a':
					System.out.println("输出一个数");
					int value = scanner.nextInt();
					arrayQueue.addQueue(value);
					break;
				case 'g':
					try {
						int res = arrayQueue.getQueue();
						System.out.printf("取出的数据是%d\n",res);
					}catch(Exception e) {
						System.out.println(e.getMessage());
					}
					break;
				case 'h':
					try {
						int res = arrayQueue.headQueue();
						System.out.printf("查出队列头的数据是%d\n",res);
					}catch(Exception e) {
						System.out.println(e.getMessage());
					}
					break;
				case 'e':
					scanner.close();
					loop = false;
					break;
				default :
			}
		}
		System.out.println("程序退出");
	}
}

四、控制台输出