Java 单向队列及环形队列的实现原理

队列的特点

1.可以使用数组和链表两种方式来实现。

2.遵循先入先出(FIFO)的规则，即先进入的数据先出。

3.属于有序列表。

图解实现过程：

1.定义一个固定长度的数组，长度为maxSize。

2.设置两个指针first = -1（指向队列第一个数据的前一位，这样保证在添加第一个数据以后头指针为0，和数组的下标一样，且用于操作出队）和last = -1(指向队尾，用于操作入队)。

3.即first会因为出队操作而增加，last会因为入队操作而增加

代码实现：

package 队列;

public class ArrayQueueTest {
   public static void main(String[] args) {
       ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
       arrayQueue.addQueue("琼");
       arrayQueue.addQueue("赟");
       arrayQueue.addQueue("珑");
       arrayQueue.showAllQueueData();
       System.out.println(arrayQueue.getQueue());  
   }
}
class ArrayQueue{
   private int maxSize;//定义队列的最大长度
   private int first ;//指向队列头的前一个位置！！前一个位置！！出队方向
   private int last ;//指向队列尾部!!即最后一个数据！！！入队方向
   private String[] arr; //先建一个空的数组，具体长度未知，需要maxSize来确定。

//构造器初始化队列信息
   public ArrayQueue(int maxSize){
       this.maxSize = maxSize;
       this.first = -1;
       this.last = -1;
       arr = new String[maxSize];
   }

//判断是否为空
   public boolean isEmpty(){
       if (first == last) {
           System.out.println("队列为空~~");
           return true;
       }else {
           System.out.println("队列不为空~~");
           return false;
       }
   }

//判断队列是否满
   public boolean isFull(){
       if (last == maxSize-1) {
           System.out.println("队列已满~~");
           return true;
       }else {
           System.out.println("队列未满~~");
           return false;
       }
   }

//入队
   public void addQueue(String data){
       if (last == maxSize-1){
           System.out.println("队列已满，不能再添加！！");
           return;
       }else {
           last++; //添加数据只和末尾下标有关
           arr[last] = data;
           return;
       }
   }

//出队
   public String getQueue(){
       if (isEmpty()) {
           //因为getQueue方法是int型，需要返回数据，如果无数据，也需要返回
           //如果返回-1或者其他数据，会让人误解获取到的数就是-1或者其他
           //所以用抛出异常来处理
           throw new RuntimeException("队列为空，无数据~~");
       }
       else {
           first++;
           return arr[first];
       }
   }

//遍历队列所有信息
   public void showAllQueueData(){
       if (first == last){
           return;
       }
       for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
           System.out.println("arr["+i+"]"+"="+arr[i]);
       }
   }

//获取队列头数据
   public String headQueueData(){
       if (isEmpty()){
           throw new RuntimeException("无数据~~~");
       }
       return arr[++first];
   }
}

队列缺点：

由于出队操作，使得first指针上移变大，导致数组前面空出来的位置就不能再继续添加数据，即不能再被重复使用，这样一个队列只能使用一次，内存效率太低，所以需要使用环形队列来优化解决。

优化解决——环形队列实现思路

1.first指针初始默认设置为0，指向队列头部，则arr[first] 就是第一个数据。

2.last指针初始默认也为0，但是会随着增加数据而后移。

3.队列满的条件：

(last + 1) ％ maxSize == first

last+1是为了让指针后移，而且如果不设置为 last+1 那么一开始的时候last为0 ， last ％ maxSize == 0，且first也为0，还没加数据就满了。

4.队列为空的条件：

first == last

5.由于判断是否满的时候： last+1 ，导致实际上可以装的数据比数组长度少 1

环形队列各步骤及各方法实现讲解

1.队列初始化 ：

class CircleArryQueue{
   private int maxSize ; //数组长度，即队列最大容量
   private int first;   //头指针，控制出队操作
   private int last;  //尾指针，控制入队操作
   private int[] arr;  //数组类型，可以换其他的。

//构造器初始化信息
   public CircleArryQueue(int maxSize){
       this.maxSize = maxSize;
       this.arr = new int[maxSize];
       this.first = 0;//这两个可以不加，不叫也是默认为0
       this.last = 0;
   }
}

2.判断队列是否为空：

public boolean isEmpty(){
       //头指针和尾指针一样 则说明为空
       return last == first;
   }

3.判断队列是否满：

/*
*这里的 last+1 主要是为了让指针后移，特别是在队列尾部添加数据的时候，本来用last也可以判断，但
*是一开始还没加数据的时候，如果直接用last ％ maxSize == first，结果是true，所以为了解决指针后*移和判断是否满，用来last+1。其次，因为last+1可能会导致数组指针越界，所以用取模来控制它的范  * 围，同时保证他会在一个固定的范围循环变换，也利于环形队列的实现。
*/
public boolean isFull(){
   return (last + 1) ％ maxSize == first;
}

4.添加数据到队列尾部：入队

public void pushData(int data){
   //先判断是否满了
   if(isFull()){
       System.out.println("队列已经满啦~~");
       return;
   }
   arr[last] = data;
   //last+1是为了后移，取模是为了避免指针越界，同时可以让指针循环
   last = (last + 1) ％ maxSize;
}

5.取出队首数据：出队

public int popData(){
       if (isEmpty()) {
           //抛异常就可以不用返回数据了
           new RuntimeException("队列为空，没有获取到数据~~");
       }

//要先把first对应的数组数据保存——>first后移——>返回数据
       int value = arr[first];
//first+1的操作和last+1是一样的，取模也是
       first = (first+1) ％ maxSize;
       System.out.println(value);
       return value;
   //如果不保存first指针 那么返回的数据就不对了
//如果直接返回数据，那first指针还没后移 也不对，所以需要使用第三方变量
   }

6.展示队列中所有数据：

public void showAllData(){
       if (isEmpty()) {
           System.out.println("队列为空，没有数据~~");
           return;
       }
//此处i不为0，是因为有可能之前有过popData()操作，使得firs不为0，所以最好使用
   //first给i动态赋值，
       for (int i = first; i < first+size() ; i++) {
           System.out.println("arr["+i％maxSize+"]"+arr[i％maxSize]);
       }

7.获取队列中数据的总个数：

public int dataNum(){
//韩顺平老师的教程上是这样写，但是我理解不了..........。
return (last+maxSize-first) ％ maxSize;  
}

8.查看队首数据但不弹出：

public void seeFirstData(){
   return arr[first];
}

全部代码整合：

package 练习;

import java.util.Scanner;

public class CircleArryQueue {
   public static void main(String[] args){
       CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);
       System.out.println("--------测试环形队列--------");
       char key = ' ';
       Scanner scanner = new Scanner(System.in);

boolean flag = true;
       while (flag){
           System.out.println("s(showAllData):查看队列数据");
           System.out.println("p(pushData):队尾添加数据");
           System.out.println("g(popData):弹出队头数据");
           System.out.println("h(seefirstData)：获取队头数据");
           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("输入一个数据：");
                   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("程序结束~~~");

}

}

class CircleQueue {
   private int maxSize ; //数组长度，即队列最大容量
   private int first;   //头指针，控制出队操作
   private int last;  //尾指针，控制入队操作
   private int[] arr;  //数组类型，可以换其他的。

//构造器初始化信息
   public CircleQueue(int maxSize){
       this.maxSize = maxSize;
       this.arr = new int[maxSize];
       this.first = 0;//这两个可以不加，不叫也是默认为0
       this.last = 0;
   }

public boolean isEmpty(){
       //头指针和尾指针一样 则说明为空
       return last == first;
   }

/*
*这里的 last+1 主要是为了让指针后移，特别是在队列尾部添加数据的时候，本来用last也可以判断但
*是一开始还没加数据的时候，如果直接用last ％ maxSize == first，结果是true，所以为了解决指针
*后移和判断是否满，用来last+1。其次，因为last+1可能会导致数组指针越界，所以用取模来控制它
*的范围，同时保证他会在一个固定的范围循环变换，也利于环形队列的实现。
*/
   public boolean isFull(){
       return (last + 1) ％ maxSize == first;
   }

public void pushData(int data){
       //先判断是否满了
       if(isFull()){
           System.out.println("队列已经满啦~~");
           return;
       }
       arr[last] = data;
       //last+1是为了后移，取模是为了避免指针越界，同时可以让指针循环
       last = (last + 1) ％ maxSize;
   }

public int popData(){
       if (isEmpty()) {
           //抛异常就可以不用返回数据了
           throw new RuntimeException("队列为空，没有获取到数据~~");
       }

//要先把first对应的数组数据保存——>first后移——>返回数据
       int value = arr[first];
       //first+1的操作和last+1是一样的，取模也是
       first = (first+1) ％ maxSize;
       System.out.println(value);
       return value;
       //如果不保存first指针 那么返回的数据就不对了
       //如果直接返回数据，那first指针还没后移 也不对，所以需要使用第三方变量
   }

//查看所有数据
   public void showAllData(){
       if (isEmpty()) {
           System.out.println("队列为空，没有数据~~");
       }
       //此处i不为0，是因为有可能之前有过popData()操作，使得firs不为0，所以最好使用
       //first给i动态赋值，
       for (int i = first; i < first+dataNum() ; i++) {
           System.out.println("arr["+i％maxSize+"]"+arr[i％maxSize]);
       }
   }
//查看有效数据个数
   public int dataNum(){
       //韩顺平老师的教程上是这样写，但是我理解不了..........。
       return (last+maxSize-first) ％ maxSize;
   }
//查看队列第一个数据
   public int seeFirstData(){    
       System.out.println(arr[first]);
       return arr[first];

}
}

最后：

部分内容参考自B站韩顺平老师java数据结构课程

来源：https://www.cnblogs.com/coding-996/p/12246672.html