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数组实现环形队列Java

jiezi

用数组实现环形队列的特点是高效。

  • 能快速判断队列是否 满 / 空；
  • 能快速存取数据。

因为简单高效，所以甚至在硬件中都实现了环形队列。

       环形队列广泛应用于网络数据的收发，和不同应用间数据交换（内核和应用程序大量交换数据，从硬件接受大量数据）

内存上没有环形结构，因此环形队列实际上用数组的线性空间来实现。

      但是当数据到了尾部如何处理呢？它将转回到 0 位置来处理。这个转回是通过取模操作来执行的。

      因此，环形队列是逻辑上将数组元素 q[0] 和 q[maxSize – 1] 连接，形成一个存放队列的环形空间。

为了方便读写，还要用数组下标来指明队列的读写位置。head/tail. 其中 head 指向可以读的位置，tail 指向可以写的位置。

环形队列的关键是判断队列为空，还是为满。当 tail 追上 head 时，队列为满时，当 head 追上 tail 时，队列为空。但如何知道谁追上谁。还需要一些辅助的手段来判断.

   如何判断环形队列为空，为满有两种判断方法。

一. 附加一个标志位 tag

  • 当 head 赶上 tail，队列空，则令 tag=0,
  • 当 tail 赶上 head，队列满，则令 tag=1,

二. 限制 tail 赶上 head，即队尾结点与队首结点之间至少留有一个元素的空间。

  • 队列空：head==tail
  • 队列满：(tail+1)% MAXN ==head
package ds.queue;

/**
 * 用数组实现环形队列
 *      附加标志位法
 */
public class ArrayCircleQueue {private int[] arr;
    private int maxSize;
    private int rear;
    private int front;
    // 当 front 赶上 rear，说明队列满，令 flag=0；// 当 rear 赶上 front，说明队列空，令 flag=1
    private int flag;

    public ArrayCircleQueue(int size) {
        maxSize = size;
        arr = new int[maxSize];
        front = 0;
        rear = 0;
        flag = 1;
    }

    public boolean isFull() {return front == rear && flag == 0;}

    public boolean isEmpty() {return front == rear && flag == 1;}

    public int peek() {if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty!!!");
        return arr[front];
    }

    public void offer(int v) {if (isFull()) {System.out.println("queue is full, could not add.");
            return;
        }
        arr[rear] = v;
        rear = (rear + 1) % maxSize;
        if (rear == front) flag = 0;
    }

    public int poll() {if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty!");
        int res = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        if (front == rear) flag = 1;
        return res;
    }

    public void show() {if (isEmpty()) {System.out.println("The queue is empty!!!");
            return;
        }
        System.out.println("front -> rear");
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {System.out.print(arr[i % maxSize] + " ");
        }
        System.out.println();}

    public int size() {if (rear > front) return rear - front;
        return rear + maxSize - front;
    }
}

package ds.queue;

/**
 * 数组实现环形队列
 *      - 预留空间法
 */
public class ArrayCircleQueue2 {
    private int maxSize;
    private int front; // 指向队列的第一个元素，arr[front] 就是队列的第一个元素。初始值 0
    private int rear;  // 指向队列的最后一个元素的后一个位置，希望空出一个空间作为约定。初始值 0
    private int[] arr;

    public ArrayCircleQueue2(int size) {
        maxSize = size;
        arr = new int[size];
    }

    public boolean isFull() {return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    public boolean isEmpty() {return front == rear;}

    public void offer(int v) {if (isFull()) {System.out.println("queue is full!!!");
            return;
        }
        arr[rear] = v;
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    public int poll() {if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty!!!");
        int res = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return res;
    }

    public int size() {return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    public int peek() {if (isEmpty()) throw new RuntimeException("queue is empty");
        return arr[front];
    }

    public void show() {if (isEmpty()) {System.out.println("queue is empty!!!");
            return;
        }
        System.out.println("Front -> rear");
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {System.out.print(arr[i % maxSize]);
        }
        System.out.println();}
}

测试代码 

package ds.queue;

import java.util.Scanner;

/**
 */
public class QueueDemo {public static void main(String[] args) {ArrayCircleQueue q = new ArrayCircleQueue(5);
        char c;
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        while (loop) {System.out.println("s: 显示队列");
            System.out.println("e: 退出应用");
            System.out.println("a: 元素入队尾");
            System.out.println("g: 从队头取出元素");
            System.out.println("h: 查看队头元素");
            c = scanner.next().charAt(0);
            switch (c) {
                case 's':
                    q.show();
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数");
                    int v = scanner.nextInt();
                    q.offer(v);
                    break;
                case 'g':
                    try {int res = q.poll();
                        System.out.println("取出了" + res);
                    } catch (Exception e) {System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {int res = q.peek();
                        System.out.println("队头元素" + res);
                    } catch (Exception e) {System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
    }
}

参考:
https://blog.csdn.net/sking00…
以及 韩顺平数据结构

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