JAVA数据结构与算法之数组模拟环形队列

• 前言：
  数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。

环形队列

队列简介：

详见另一篇文章 —— 数组模拟队列

环形队列的存储结构：

• 顺序存储：
  利用一组连续的地质单元存放队列元素（通常使用数组）
  
  

(注：因数组模拟队列，为了方便起见出入队只将两个指针进行移动)

• 链式存储：

后续更新

队列基本操作：

• 两个指针看作计数器，数据在核心数组中的实际位置应为指针计数的取模。
• 为了思路清晰，我们做出如下约定：

1. front：指向队列头
2. rear：指向队尾后一个元素
3. 两个指针初始值均为0

• 入队(增)： 将数据放入队尾(rear)，并将队尾指针后移一位
• 出队(删)： 将队首(front) 数据取出，并将队首指针后移一位
• 查询队首元素(查)： 返回队首元素的值，并不移动指针
• 判断队列是否为空： 判断队列中是否含有数据
• 判断队列是否已满： 判断队列是否满

代码实现以及思路：

• 准备工作：

• 数据在数组中的实际存储位置应为 指针计数器¹ 的模

• 对程序中用到的变量做出如下约定：

1. front：指向队列头
2. rear：指向队尾后一个元素
3. 两个指针初始值均为0

	private int maxSize; // 最大容量
	private int front; // 头
	private int rear; // 尾
	private int[] data; // 核心数组

	public ArrayCircularQueue(int maxSize) {
		this.maxSize = maxSize;
		this.data = new int[maxSize];
		this.front = 0;
		this.rear = 0;
	}

• 判空：

1. 本身未插入数据，即 rear=front=0
2. 插入数据后又将数据全部取出，已经取走队尾的数据，即 rear==front

	/**
	 * <pre>
	 * 判断队列是否为空
	 * </pre>
	 * 
	 * @return
	 */
	public boolean isEmpty() {
		return rear == front;
	}

• 判满：

存储的数据已经放满整个数组，即队尾指针应比队首指针大整整一个队列的长度

1. rear > maxSize
2. (rear) % maxSize == front

	/**
	 * 判断队列是否已满
	 * 
	 * @return
	 */
	public boolean isFull() {
		/**
		 * <pre>
		 * 如果<code>return (rear+1) % maxSize == front</code>则空出数组最后一个位置作为约定
		 * </pre>
		 */
		return rear > maxSize && (rear) % maxSize == front;
	}

• 入队(增)：

1. 先判断队列是否已满
2. 将数据写在当前队尾的位置
   （1）先将数据写入队尾指针所在位置
   （2）再将队尾指针后移

	/**
	 * <pre>
	 * 向队列中增加数据
	 * </pre>
	 * 
	 * @param n 插入数据
	 * @see ArrayCircularQueue#isFull()
	 */
	public void add(int n) {
		// 判断队列是否已满
		if (isFull())
			throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("队列已满");
		/**
		 * 等同于<code> data[rear%maxSize]=n; rear++;</code>
		 */
		data[(rear++)%maxSize] = n;
	}

• 出队(删)：

1. 先判断队列是否为空
2. 取出队首位置元素，并将队首指针后移
   （1）先取出front指针对应位置的元素
   （2）再将将front后移

	/**
	 * <pre>
	 * 取数据
	 * </pre>
	 * 
	 * @return
	 * @see ArrayCircularQueue#isEmpty()
	 */
	public int get() {
		if (isEmpty())
			throw new RuntimeException("队列空");
		/**
		 * 等同于<code> return data[front%maxSize]; front++;</code>
		 */
		return data[(front++) % maxSize];
	}

• 查询队首元素：

思路与出队基本相同，但是不将队首指针后移
因此只需取出front指针对应位置上的元素

	/**
	 * <pre>
	 * 读取队头数据
	 * </pre>
	 * 
	 * @return
	 * @see ArrayCircularQueue#isEmpty()
	 */
	public int read() {
		if (isEmpty())
			throw new RuntimeException("队列空");
		return data[(front) % maxSize];
	}

• 打印队列：

1. 首先判断队列是否为空
2. 遍历核心数组
   但是因为在做出队时只是将front后移，并没有真正的删除
   因此在遍历时，应从front指针对应的的位置开始，到rear指针对应的的位置结束

	/**
	 * <pre>
	 * 打印数据
	 * </pre>
	 * 
	 * {@link ArrayCircularQueue#isEmpty()}
	 */
	public void display() {
		if (isEmpty())
			throw new RuntimeException("队列空");
		for (int i = front; i < rear; i++) {
			System.out.print(data[i % maxSize] + " ");
		}
		System.out.println();
	}

完整代码：

package DataStructures.linear.queue;

/**
 * 
 * <pre>
 * 数组实现环形队列
 * </pre>
 * 
 * @param <code>int   maxSize</code>->最大容量
 * @param <code>int   front</code>->指向队列头
 * @param <code>int   rear</code>->指向队列尾后一个位置
 * @param <code>int[] data</code>->核心数组
 * 
 * @author Lansion
 * @version 1.0
 * @since 1.0
 */
class ArrayCircularQueue {

	private int maxSize; // 最大容量
	private int front; // 头
	private int rear; // 尾
	private int[] data; // 核心数组

	public ArrayCircularQueue(int maxSize) {
		this.maxSize = maxSize;
		this.data = new int[maxSize];
		this.front = 0;
		this.rear = 0;
	}
	
	/**
	 * 判断队列是否已满
	 * 
	 * @return
	 */
	public boolean isFull() {
		/**
		 * <pre>
		 * 如果<code>return (rear+1) % maxSize == front</code>则空出数组最后一个位置作为约定
		 * </pre>
		 */
		return rear > maxSize && (rear) % maxSize == front;
	}

	/**
	 * <pre>
	 * 判断队列是否为空
	 * </pre>
	 * 
	 * @return
	 */
	public boolean isEmpty() {
		return rear == front;
	}
	
	/**
	 * <pre>
	 * 向队列中增加数据
	 * </pre>
	 * 
	 * @param n 插入数据
	 * @see ArrayCircularQueue#isFull()
	 */
	public void add(int n) {
		// 判断队列是否已满
		if (isFull())
			throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("队列已满");
		/**
		 * 等同于<code> data[rear%maxSize]=n; rear++;</code>
		 */
		data[(rear++)%maxSize] = n;
	}

	/**
	 * <pre>
	 * 取数据
	 * </pre>
	 * 
	 * @return
	 * @see ArrayCircularQueue#isEmpty()
	 */
	public int get() {
		if (isEmpty())
			throw new RuntimeException("队列空");
		/**
		 * 等同于<code> return data[front%maxSize]; front++;</code>
		 */
		return data[(front++) % maxSize];
	}

	/**
	 * <pre>
	 * 读取队头数据
	 * </pre>
	 * 
	 * @return
	 * @see ArrayCircularQueue#isEmpty()
	 */
	public int read() {
		if (isEmpty())
			throw new RuntimeException("队列空");
		return data[(front) % maxSize];
	}

	/**
	 * <pre>
	 * 打印数据
	 * </pre>
	 * 
	 * {@link ArrayCircularQueue#isEmpty()}
	 */
	public void display() {
		if (isEmpty())
			throw new RuntimeException("队列空");
		for (int i = front; i < rear; i++) {
			System.out.print(data[i % maxSize] + " ");
		}
		System.out.println();
	}

	public int Size() {
		return rear - front;
	}

}

---

1. 在本程序中指针大小并不与队列实际存储量相比较，实际的存储位置为指针的模，所以也可看作一个计数器 ↩︎