Java基础之数组模拟循环队列

作者：在下木子李时间：2022-08-29 12:58:06　

一、队列简介

队列是一个有序列表，遵循“先入先出”的原则，即先存入队列的数据要先取出，后存入的数据后取出。

队列有两种存储表示，顺序表示和链式表示。顺序表示可以用数组来实现。

二、数组模拟队列

用数组模拟队列时，设两个值front=0，rear=0。front表示队列首部第一个数据所在位置，rear表示尾部最后一个数据的下一个位置。

将数据插入数组队列时（入队），从尾部进行插入,即array[rear] = value,同时rear后移，rear++。取出数据时（出队），从头部取出数据,value = array[front]，同时front后移front++。

当front=0，rear=maxSize（数组的最大长度），队列满，不能再存入数据。

这时如果执行出队操作，又有空间可以存储，但继续插入数据，会出现溢出现象，即因数组越界而导致程序非法操作错误。而实际上空间并未占满，所以称这种现象为“假溢出”。这是由“队尾入队，队头出队”的限制操作所造成的。

如何解决“假溢出”的问题呢？

答案就是循环队列。

三、数组模拟循环队列

将顺序队列变为一个环状空间，front、rear和队列元素之间的关系不变，只是在循环队列中，front、rear依次后移加1的操作可用“模”运算来实现。

通过取模，front、rear就可以在顺序表空间内以头尾衔接的方式“循环”移动。

元素出队后，front = （front+1）％maxSize ；
元素入队后，rear = （rear+1）％maxSize 。

（maxSize为数组队列的最大长度）

例如，队列最大长度为4，当rear=3时，存入数据，array[3]=value,rear后移一位，如果没有取模运算，则rear=4，这时继续插入数据，array[4]越界。

如果进行取模运算，rear = （rear+1）％maxSize ，这时rear=0，rear又重新回到了0的位置。这样的运算，使得rear的值在0、1、2、3之间循环。

front的值同理。

写了这么多字，感觉还不如看代码来得更容易理解一点。

四、代码实现

数组模拟循环队列

package com.ArrayQueue;

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {
public static void main(String args[]){
int maxSize = 4;
CircleArrayQueue queue = new CircleArrayQueue(maxSize);
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
char key;
boolean loop = true;
while (loop) {
//根据输入的不同字母，进行对应的操作
System.out.println("a(add):添加一个数据");
System.out.println("g(get):取出一个数据");
System.out.println("h(head):展示头部数据");
System.out.println("s(show):展示所有数据");
System.out.println("q(quit):退出程序");
//因为判满条件的缘故，队列的最大容量实为maxSize-1
System.out.printf("(队列的最大容量为：％d)\n",maxSize-1);
key = scanner.next().charAt(0);//接收一个字符
try {
switch (key) {
case 'a':
System.out.println("请输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
queue.addQueue(value);
System.out.println("数据添加成功。");
break;
case 'g':
System.out.printf("取出的数据为：％d\n", queue.getQueue());
break;
case 'h':
queue.headQueue();
break;
case 's':
queue.showQueue();
break;
case 'q':
scanner.close();
loop = false;
System.out.println("程序已退出。");
break;
default:
break;
}
} catch (RuntimeException e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
}
/**
* 队列的顺序表示
* 数组模拟循环队列
*/
class CircleArrayQueue{
private int maxSize;
private int front;//指向头元素所在位置
private int rear;//指向尾元素所在位置的下一个位置
private int arr[];//存放数据的数组

//构造器，传入数组最大容量值
public CircleArrayQueue(int size){
maxSize = size;
front = 0;
rear = 0;
//虽然数组最大容量为maxSize，但实际用于存储的只有maxSize-1
arr = new int[maxSize];
}
//判空条件：front == rear
public boolean isEmpty(){
return front == rear;
}
//判满条件：(rear+1)％maxSize == front
public boolean isFull(){
return (rear+1)％maxSize == front;
}
//添加数据，入队
public void addQueue(int n){
//判满
checkFull();
arr[rear] = n;
rear = (rear+1)％maxSize;
}
//取出数据，出队
public int getQueue(){
//判空
checkEmpty();
int value = arr[front];
front = (front+1)％maxSize;
return value;
}
//队列中的有效值个数
public int size(){
return (rear-front+maxSize)％maxSize;
}
//展示队列的所有数据
public void showQueue(){
//判空
checkEmpty();
for(int i=front;i<front+size();i++){
System.out.printf("arr[％d]=％d\n",i％maxSize,arr[i％maxSize]);
}
System.out.printf("当前front=％d,rear=％d\n",front,rear);
}
//展示位于队列头部的元素值，不改变front的指向
public void headQueue(){
//判空
checkEmpty();
System.out.printf("头部数据是：％d\n",arr[front]);
}
//检测出队列为空时，打印当前front，rear的值，抛出异常
public void checkEmpty(){
if (isEmpty()) {
System.out.printf("当前front=％d,rear=％d\n",front,rear);
throw new RuntimeException("队列为空,不能取数据");
}
}
//检测出队列满时，打印当前front，rear的值，抛出异常
public void checkFull(){
if(isFull()){
System.out.printf("当前front=％d,rear=％d\n",front,rear);
throw new RuntimeException("队列已满，不能添加数据");
}
}
}