队列详解1
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1、队列的定义及基本概念
“队列”(Queue)这个单词时英国人说的 “排”(line)(一种等待服务的方式),在生活中,队列在我们日常生活中经常碰到,例如,排队买东西。
在计算机科学中,队列是一种数据结构,是一种特殊的线性表。和栈类似。但相差很大。
队的操作是在两端进行,其中一端只能进行插入,该端称为队列的队尾,而另一端只能进行删除,该端称为队列的队首。队列的运算规则时FIFO(First In First Out)
队列的基本运算:
-
置空队:建立一个空队列
-
判断队空:队列是否为空
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判断队满:队列是否满
-
入队:在队列非满时,从队尾插入元素
-
出队:在队列非空时,从队首删除元素
-
取队首元素:不删除元素,返回队首元素
-
遍历队列:打印出数组中的有效数据
队列的存储具有顺序存储和链式存储两种。顺序存储通过数组存储,链式存储通过链表存储。
2、单向队列
我们通过数组来模拟单向队列。
由于队列的对头和队尾的位置是变化的,因而要设置两个指针front和rear来分别指示队头元素和队尾元素在空间中的位置。
在构造顺序队列时,两个指针初始化置为0,入队时将新元素插入rear所指的位置,然后将rear加1,出队时,删除front所指的元素,然后将front加1并返回被删元素。
在入队和出队时,我们需要判断队空和队满。
图解:
初始化:创建一个maxSize的数组 。 front 和 rear 为-1 。
添加数据:先将rear加1,然后将rear指向的数组赋值
删除数据:先front加1,然后取出front指向的数据,因为front指向的是队列头的前一个位置。
判断为满:可以看出。当rear 等于 maxSize-1时,队列满。
判断为空:当font和rear相等时,为空
class ArrayQueue{
//表示数组的最大容量
private int maxSize;
//队列头
private int front;
//队列尾
private int rear;
//该数据用于存放数据,模拟队列
private int[] arr;
//队列构造器
public ArrayQueue(int arrMaxSize){
maxSize = arrMaxSize;
//创建一个长度为maxSize的数据
arr = new int[maxSize];
//指向队列的头部,分析出front时指向队列头的前一个位置
front = -1;
//指向队列的尾部,指向队列尾部的数据
rear = -1;
}
//判断队列是否为满
public boolean isFull(){
return rear == maxSize - 1;
}
//判断队列为空
public boolean iSEmpty(){
return front == rear;
}
//添加数据到队列中
public void AddQueue(int n){
if(!isFull()){
rear++;
arr[rear] = n;
}
else {
System.out.println("队列已满,无法添加数据");
}
}
//出队列,并返回数据
public int GetQueue(){
if(iSEmpty()){
System.out.println("队列为空,无法返回数据");
throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
}
front++;
return arr[front];
}
//遍历队列
public void ShowQueue(){
if(iSEmpty()){
System.out.println("队列为空");
return;
}
for (int i = front; i < rear; i++) {
System.out.print(arr[i + 1] + "\t");
}
System.out.println();
}
//显示头数据
public int GethandQueue(){
if(iSEmpty()){
System.out.println("队列为空,无法返回数据");
throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
}
return arr[front + 1];
}
}
测试:
public static void main(String[] args) {
ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
System.out.println(arrayQueue.iSEmpty());
arrayQueue.AddQueue(1);
arrayQueue.AddQueue(2);
arrayQueue.ShowQueue();
arrayQueue.GetQueue();
arrayQueue.ShowQueue();
System.out.println(arrayQueue.GethandQueue());
}
问题:
我们添加三次数据,然后删除3次数据。 显示为满,但实际上队列中没有数据
public static void main(String[] args) {
ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);
arrayQueue.AddQueue(1);
arrayQueue.AddQueue(2);
arrayQueue.AddQueue(3);
arrayQueue.GetQueue();
arrayQueue.GetQueue();
arrayQueue.GetQueue();
System.out.println(arrayQueue.isFull()); //true
}
此时数组为空,但无法存储数据;
为了解决这个问题,我们引入循环队列,消除假溢出;
3、循环队列
我们通过取模来实现循环队列,将数组看成一个环形。也就是当队尾到最大值maxSize时,取模,使队尾等于0。
在循环队列中,判空的条件使rear == front ,判满的条件也是rear == front,为了避免二义性。所以人为的浪费一个空间,这样判满的条件为 front == (rear + 1)% maxSize;
图解:
初始化:front和rear都等于0。
此时的front和rear的含义与单向队列中的含义不同了;
front是指向队头
rear是指向队尾的下一个数据
添加一个数据:先存入数据,然后:rear = (rear + 1)% maxSize
删除一个数据: 因为front指向的是当前数据,只能用一个临时变量将当前的数据存上,然后 front = (front + 1)% maxSize,最后返回临 时变量
判空:rear == front
判满:front == (rear + 1)% maxSize
class ArrayCircularQueue{
//表示数组的最大容量
private int maxSize;
//队列头 此处的front指向队列的第一个数据
private int front;
//队列尾 此处的rear最后一个数据的下一个数据
private int rear;
//该数据用于存放数据,模拟队列
private int[] arr;
//初始化队列
public ArrayCircularQueue(int Size){
maxSize = Size;
front = 0;
rear = 0;
arr = new int[maxSize];
}
//判空
public boolean isEmpty(){
return rear == front;
}
//判满
public boolean isFull(){
return front == (rear + 1) % maxSize;
}
//添加数据
public void AddQueue(int n){
if (isFull()){
System.out.println("队列已满");
}
arr[rear] = n;
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
//出队列,返回队头数据
public int GetQueue(){
if(isEmpty()){
System.out.println("队列为空,无法返回数据");
throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
}
int value = arr[front];
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
//遍历队列
public void ShowQueue(){
if (isEmpty()){
System.out.println("队列为空");
return;
}
int i = front;
while(i != rear)
{
System.out.print(arr[i] + "\t");
i = (i + 1) % maxSize;
}
System.out.println();
}
//得到队列的有效数据个数
public int Size(){
return (rear - front + maxSize) % maxSize;
}
//得到队列的队首数据
public int getHandQueue(){
if (isEmpty()){
System.out.println("队列为空,无法返回数据");
throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
}
return arr[front];
}
}
测试:
public static void main(String[] args) {
//实际上只能存储2个数据
ArrayCircularQueue arrayCircularQueue = new ArrayCircularQueue(3);
System.out.println(arrayCircularQueue.isEmpty());
arrayCircularQueue.AddQueue(1);
arrayCircularQueue.AddQueue(2);
arrayCircularQueue.ShowQueue();
arrayCircularQueue.GetQueue();
arrayCircularQueue.ShowQueue();
System.out.println(arrayCircularQueue.getHandQueue());
System.out.println(arrayCircularQueue.Size());
}
这样就解决了假溢出问题,队列也可以重复使用:
ArrayCircularQueue arrayCircularQueue = new ArrayCircularQueue(3);
arrayCircularQueue.AddQueue(1);
arrayCircularQueue.AddQueue(2);
arrayCircularQueue.GetQueue();
arrayCircularQueue.GetQueue();
System.out.println(arrayCircularQueue.isFull()); //false
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