队列——数组结构实现（循环队列）

本文接上一篇队列文章

三、循环队列

循环队列的优点

• 普通队列出队操作开销大：在出队操作时，索引为0后面的所有元素，都需要往前移动一位，元素越多，消耗的时间也越多，时间复杂度为O(N)

3.1 循环队列的逻辑

1. 当元素较少时（tail位置在front后面），循环队列与普通队列出队操作一样，入队的元素将会放在tail的位置上，随后执行tail++操作；出队时front位置上的元素将会置null，随后执行front++操作；此时仍能保持着tail位置在front后面的状态，如下图所示：
   
2. 当元素继续添加，最后一个元素将放到索引为7的位置，此时tail位置将会移动到队首前面索引为0的位置上，此时tail在数组的索引为变为：(tail+ 1 )% capacity如下图所示：
   
3. 当元素继续添加时，元素将会在tail位置上添加，tail继续往后移动，如下图所示：
   
4. 继续添加元素，当tail与front还相距一个单位时，即此时数组还有一个空余存储空间，但当前数组已经不能继续实现循环队列的插入操作了，因为循环队列判断队列为空的条件就是front == tail，所以此时需要进行扩容操作；因此此处有意识的浪费了一个空间。
   此处可以推出，循环队列元素满的条件为：tail +1 == front(初步得出，后续会完善为(tail + 1) % capacity == front )
5. 适当情况下，此若时持续进行出队操作，front的位置也将会从数组最右端跳转到数组最左端开始。此时front在数组的索引为变为：(front + 1 )% capacity

3.2 循环队列的结论

• 循环队列：底层也是通过数组来实现，但是它的入队和出队操作，不能使用Array中封装的方法，而是需要重新去代码实现；
• 通过front指向队首的位置，tail指向下一个元素即将插入的位置，即tail位置元素始终为null；
  
• 循环队列是否为空的条件：front == tail;
• 循环队列中tail位置在数组中对应的索引位置：(tail + 1) % capacity
• 循环队列中front位置在数组中对应的索引位置：(front+ 1) % capacity
• 循环队列装满的条件：(tail + 1) % capacity == front; 其中capacity为数组的空间大小；
  

3.3 循环队列代码实现

代码如下：

package dataStructure.chapter3;

/**
 * @Author: zjtMeng
 * @Date: 2019/12/28 20:13
 * @Version 1.0
 */
public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {

    private E[] data;
    private int front,tail;
    private int size;

    public LoopQueue(int capacity){
        data = (E[]) new Object[capacity+1];
    }

    public LoopQueue(){
        this(10);
    }

    public int getCapacity(){
        return data.length-1;
    }

    /**
     * 循环队列入队操作
     * @param e
     */
    @Override
    public void enqueue(E e) {
        //循环队列元素满的判断条件,如果满了就进行扩容操作，扩大两倍
        if ((tail+1)%data.length == front)
            resize(2 * getCapacity());
        data[tail] = e;
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size ++;

    }

    /**
     * 循环队列扩容
     * @param newCapacity
     */
    private void resize(int newCapacity){
        E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity+1];
        //循环队列第一种遍历方式
        for (int i = 0 ; i < size ; i++ ){
            //newData[]中的元素与data[]中的元素，一方面存在着front的偏移量，另一方面，data[]中的元素，可能在有部分处于front前面，因此此处采用对数组长度取余，来判断元素的位置
            newData[i] = data[(i+front)%data.length];
        }
        data = newData;
        front =0;
        tail = size;

    }

    @Override
    public E dequeue() {
        //首先判断队列是否为空，如果为空则抛出异常
        if (isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");
        E ret = data[front];
        //引用地址需要置空，否则JVM不能及时回收空间，从而可能会出现OOM异常
        data[front] = null;
        front = (front + 1 )% data.length;
        size--;
        //如果元素数量达到队列容积的1/4，且队列容积/2 不等于0时，进行缩容操作
        if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0 )
            resize(getCapacity() / 2);
        return ret;
    }

    /**
     * 查看队首元素
     * @return
     */
    @Override
    public E getFront() {
        if (isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
        return data[front];
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return size;
    }

    /**
     * 判断循队列是否为空
     * @return
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }

    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Queue: size = %d, capacity = %d\n",size, getCapacity()));
        res.append("front[");
        //循环队列遍历的第二种方法
        for (int i = front; i != tail; i = (i + 1) % data.length){
            res.append(data[i]);
            //循环队列未遍历到队尾的标志
            if ((i + 1) % data.length != tail)
                res.append(", ");
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();
    }
}