Java动态循环队列 Java动态循环队列是怎样实现的
Duktig丶 人气:0想了解Java动态循环队列是怎样实现的的相关内容吗，Duktig丶在本文为您仔细讲解Java动态循环队列的相关知识和一些Code实例，欢迎阅读和指正，我们先划重点：Java动态循环队列,java队列，下面大家一起来学习吧。
一、队列
1.1 定义
队列 (Queue) 是一种限定性的有序线性表，它只允许在表的一端插入元素，而在另一端删除元素，所以队列具有先进先出 (Fist In Fist Out，缩写为FIFO)的特性。
- 在队列中，允许插入的一端叫做队尾(rear)；
- 允许删除的一端则称为队头(front)。
- 队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
- 遵循先进先出的原则。即:先存入队列的数据，要先取出。
1.2 抽象数据类型
数据元素：可以是任意类型的数据，但必须属于同一个数据对象。
关系：队列中数据元素之间是线性关系。
基本操作:
1.初始化操作。使用构造方法设置一个空队列。
2.isEmpty():判空操作。若队列为空，则返回TRUE，否则返回FALSE。
3.isFull():判满操作。若队列为满,则返回TRUE，否则返回FALSE。
4.getSize():获取队列元素个数。
5.add(E e):进队操作。在队列Q的队尾插入e。如果队满，抛出异常。
6.poll():出队操作。使队列Q的队头元素出队，并用e返回其值。如果队空，抛出异常。
7.getHead ():取队头元素操作。用e取得队头元素的值。如果队列为空，则返回null。
8.clear():队列置空操作。将队列Q置为空队列。
9.destroy():队列销毁操作。释放队列的空间。
1.3 顺序存储
队列的一种顺序存储称为顺序队列。与顺序栈类似，在队列的顺序存储结构中，用一组地址连续的存储单元依次存放从队头到队尾的元素，如一维数组Queue[maxSize]。
二、数组队列
由于队列中队头和队尾的位置都是动态变化的，因此需要附设两个指针 front和 rear。
- front：指示队头元素在数组中的位置;
- rear：指示真实队尾元素相邻的下一个位置。
2.1 思路分析
- 初始化队列时，令
front = rear = 0。 - 判断队空的条件：
front == rear。 - 判断队满的条件：
rear == maxSize。 - 入队时，若尾指针rear 小于队列的最大下标
maxSize,则将数据存入rear所指的数组元素中,否则无法存入数据；然后将尾指针往后移:rear + 1。 - 出队时，若队列不为空，取出队头指针front所指的元素；然后将尾指针往后移:
front + 1。
2.2 代码实现
定义接口方法：
/**
* description:自定义队列接口
*
* @author RenShiWei
* Date: 2021/5/29 20:45
**/
public interface Queue<E> {
/**
* @return 是否队空
*/
boolean isEmpty();
/**
* @return 是否队满
*/
boolean isFull();
/**
* @return 队列的可承载元素个数
*/
int getCapacity();
/**
* @return 队列元素个数
*/
int getSize();
/**
* 队尾入队
*
* @param e 入队元素
*/
void add(E e);
/**
* 队首出队
*
* @return 出队元素
*/
E poll();
/**
* 获取队首元素
*
* @return 队首元素
*/
E getHead();
}
2.3 数组队列实现
/**
* description:数组队列
*
* @author RenShiWei
* Date: 2021/5/29 20:41
**/
public class ArrayQueue<E> implements Queue<E> {
/** 表示可存储元素的最大容量 */
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 E[] data;
/**
* 初始化队列
*
* @param arrMaxSize 初始队列最大容量
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
data = (E[]) new Object[maxSize];
front = 0;
rear = 0;
}
/**
* @return 是否队空
*/
@Override
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
/**
* @return 是否队满
*/
@Override
public boolean isFull() {
return rear == maxSize;
}
/**
* @return 队列元素个数
*/
@Override
public int getSize() {
return rear - front;
}
/**
* 队尾入队
*
* @param e 入队元素
*/
@Override
public void add(E e) {
if (isFull()) {
throw new IllegalArgumentException("队列已满，不能入队！");
}
data[rear++] = e;
}
/**
* 队首出队
*
* @return 出队元素
*/
@Override
public E poll() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("队列为空，不能出队！");
}
//出队位置置null
E temp = data[front];
data[front++] = null;
return temp;
}
/**
* 获取队首元素
* 如果队空，返回null
*
* @return 队首元素
*/
@Override
public E getHead() {
return data[front];
}
/**
* @return 队列的可承载元素个数
*/
@Override
public int getCapacity() {
return data.length - 1;
}
/**
* @return 队列的有效容量（未使用的空间数量）
*/
public int getEmptyCount() {
return maxSize - rear;
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder res = new StringBuilder();
res.append("Queue: ");
res.append("front [");
for (int i = front; i < rear; i++) {
res.append(data[i]);
if (i != rear - 1) {
res.append(", ");
}
}
res.append("] rear");
return res.toString();
}
/**
* 队列测试
*/
public static void main(String[] args) {
ArrayQueue<Integer> queue = new ArrayQueue<>(5);
Scanner sc = new Scanner(System.in);
char c;
boolean loop = true;
while (loop) {
System.out.println("s(toString):输出队列");
System.out.println("e(exit):退出程序");
System.out.println("a(add):添加数据到队列");
System.out.println("p(poll):从队列取出数据");
System.out.println("h(getHead):查看队列头的数据");
System.out.println("n(isEmpty):是否队空");
System.out.println("f(isFull):是否队满");
c = sc.next().charAt(0);
switch (c) {
case 's':
System.out.println("当前队列：" + queue.toString() + "\t元素个数：" + queue.getSize() + "\t有效容量：" + queue.getEmptyCount());
break;
case 'e':
sc.close();
loop = false;
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个整数");
queue.add(sc.nextInt());
break;
case 'p':
System.out.printf("出队元素：%d\n", queue.poll());
break;
case 'h':
System.out.printf("队首元素：%d\n", queue.getHead());
break;
case 'n':
System.out.println("队空：" + queue.isEmpty());
break;
case 'f':
System.out.println("队满：" + queue.isFull());
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
2.4 分析
假溢出现象
在非空顺序队列中，队头指针始终指向当前的队头元素，而队尾指针始终指向真正队尾元素。当rear == maxSize - 1 时，认为队满。但此时不一定是真的队满，因为随着部分元素的出队，数组前面会出现一些空单元，如下图所示。由于只能在队尾入队，使得上述空单元无法使用。把这种现象称为假溢出。
问题：目前这个数组使用一次就不能用（出队的空间），没有达到复用的效果。可使用算法将其改造成环形队列（取模：%）。
三、环形队列
为了解决假溢出现象并使得队列空间得到充分利用,一个较巧妙的办法是将顺序队列的数组看成一个环状的空间，即规定最后一个单元的后继为第一个单元，我们形象地称之为循环队列。
3.1 思路分析
- 初始化队列时，令
front = rear = 0。front指向队列的第一个元素，rear指向队列最后一个元素的后一个位置（希望损失一个位置作为约定，用来区分队空和队满）。 - 判断队空的条件：
front == rear。 - 判断队满的条件：
(rear + 1) % maxSize == front。 - 队列中的元素个数：
(rear + maxSize - front) % maxSize。 - 入队时，将数据存入
rear所指的数组元素中，指针变化：rear = ( rear+1) % maxSize。 - 出队时，将数据存入
front所指的数组元素中，指针变化：front = ( front+1 ) % maxSize。
下图给出了循环队列的几种情况：
3.2 代码实现
/**
* description:循环队列
*
* @author RenShiWei
* Date: 2021/5/30 16:38
**/
public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {
/** 存储元素 数组的长度（有效长度需要-1） */
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 E[] data;
/**
* 初始化环形队列
*
* @param arrMaxSize 初始队列容量
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public LoopQueue(int arrMaxSize) {
//循环队列需要有意识浪费一个空间
maxSize = arrMaxSize + 1;
data = (E[]) new Object[maxSize];
}
/**
* @return 是否队空
*/
@Override
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
/**
* @return 是否队满
*/
@Override
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
/**
* @return 队列的可承载元素个数
*/
@Override
public int getCapacity() {
return data.length - 1;
}
/**
* @return 队列元素个数
*/
@Override
public int getSize() {
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
/**
* 队尾入队
*
* @param e 入队元素
*/
@Override
public void add(E e) {
if (isFull()) {
throw new IllegalArgumentException("队列已满，不能入队！");
}
data[rear] = e;
//rear指针后移一位
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
/**
* 队首出队
*
* @return 出队元素
*/
@Override
public E poll() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("队列为空，不能出队！");
}
E temp = data[front];
//出队位置置null
data[front] = null;
//front指针后移一位
front = (front + 1) % maxSize;
return temp;
}
/**
* 获取队首元素
* 如果队空，返回null
*
* @return 队首元素
*/
@Override
public E getHead() {
return data[front];
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder res = new StringBuilder();
res.append(String.format("Queue: size = %d , capacity = %d\n", getSize(), getCapacity()));
res.append("front [");
for (int i = front; i != rear; i = (i + 1) % data.length) {
res.append(data[i]);
if ((i + 1) % data.length != rear) {
res.append(", ");
}
}
res.append("] tail");
return res.toString();
}
/**
* 队列测试
*/
public static void main(String[] args) {
LoopQueue<Integer> queue = new LoopQueue<>(5);
Scanner sc = new Scanner(System.in);
char c;
boolean loop = true;
while (loop) {
System.out.println("s(toString):输出队列");
System.out.println("e(exit):退出程序");
System.out.println("a(add):添加数据到队列");
System.out.println("p(poll):从队列取出数据");
System.out.println("h(getHead):查看队列头的数据");
System.out.println("n(isEmpty):是否队空");
System.out.println("f(isFull):是否队满");
c = sc.next().charAt(0);
switch (c) {
case 's':
System.out.println("当前队列：" + queue.toString());
break;
case 'e':
sc.close();
loop = false;
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个整数");
queue.add(sc.nextInt());
break;
case 'p':
System.out.printf("出队元素：%d\n", queue.poll());
break;
case 'h':
System.out.printf("队首元素：%d\n", queue.getHead());
break;
case 'n':
System.out.println("队空：" + queue.isEmpty());
break;
case 'f':
System.out.println("队满：" + queue.isFull());
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
3.3 分析
相比数组队列来说，循环队列解决了数组空间不能再次利用的问题。但依然存在一些问题：
- 当队列真的满的时候就不能再进行入队操作了。但是从我们常用的
ArrayList来分析，在存储空间允许的条件下是可以一直添加元素的。 - 当数组元素频繁进行入队或者出队操作时，可能造成空间的浪费。循环队列其实只利用了有限的存储空间，但是在最初实例化循环队列的时候，如果空间声明的很大，那么会造成一定程度上的空间浪费。
- 假设，声明一个容量为20的循环队列，但每次入队2个元素后，又出队2个元素，那么实际只利用了很有限的空间，造成了空间浪费，但又不能声明的空间太小，并不能保证未来每次只入队或者出队2个元素。
因此，是否可以实现动态的将循环队列进行扩容或者缩容，上述两个问题，可以利用下面的动态循环队列来实现。
当然，上述的数组队列，也可以改造成动态的，但是出队元素的空间依然会浪费，所以没必要进行实现。
四、动态循环队列
为了解决循环队列，队满不能入队，以及频繁入队出队引起的空间浪费，而引出动态循环队列的概念。即在队满时进行扩容，在队列元素个数下降到一定情况下进行缩容。
4.1 思路分析
- 除了入队和出队操作，其他操作均与循环队列相同。
- 循环队列存储元素的数组容量变更思路：使用扩容一倍/缩容一倍的新数组接收原来循环队列存储的元素。接收后，将
front指针置为0；将rear指针值到最后一个元素的位置（即存储有效元素的数量）。 - 什么时候扩容：队满
- 什么时候缩容：队列元素只有1/4，并且缩容后容量不为0。
- 数组容量为0时，缩容会出现异常
- 为什么不在队列元素只有1/2时缩容？当数组元素为一半的时候一次添加，一次删除，造成的一直扩容和减小的操作。
4.2 代码实现
/**
* description:动态循环
*
* @author RenShiWei
* Date: 2021/5/30 17:06
**/
public class DynamicLoopQueue<E> implements Queue<E> {
/** 存储元素 数组的长度（有效长度需要-1） */
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 E[] data;
/**
* 初始化环形队列
*
* @param arrMaxSize 初始队列容量
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
public DynamicLoopQueue(int arrMaxSize) {
//循环队列需要有意识浪费一个空间
maxSize = arrMaxSize + 1;
data = (E[]) new Object[maxSize];
}
/**
* @return 是否队空
*/
@Override
public boolean isEmpty() {
return front == rear;
}
/**
* @return 是否队满
*/
@Override
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
/**
* @return 队列的可承载元素个数
*/
@Override
public int getCapacity() {
return data.length - 1;
}
/**
* @return 队列元素个数
*/
@Override
public int getSize() {
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
/**
* 队尾入队
*
* @param e 入队元素
*/
@Override
public void add(E e) {
if (isFull()) {
//队满不再进行报错，而是进行动态扩容
resize(getCapacity() * 2);
}
data[rear] = e;
//rear指针后移一位
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
/**
* 队首出队
*
* @return 出队元素
*/
@Override
public E poll() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("队列为空，不能出队！");
}
E temp = data[front];
//出队位置置null
data[front] = null;
//front指针后移一位
front = (front + 1) % maxSize;
//当数组实际元素减小到空间的一半的时候，对其进行缩小
//if(size == data.length / 2)
/*
解决当一半的时候一次添加，一次删除，造成的一直扩容和减小的操作，
增加必须要扩容，所以可以让缩容变得更懒时在进行，即1/4时
data.length / 2 != 0防止数组大小最后变成0，造成异常
*/
if (getSize() == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) {
resize(getCapacity() / 2);
}
return temp;
}
/**
* 获取队首元素
* 如果队空，返回null
*
* @return 队首元素
*/
@Override
public E getHead() {
return data[front];
}
/**
* 扩容方法
*
* @param newCapacity 扩容后的队列大小
*/
@SuppressWarnings("unchecked")
private void resize(int newCapacity) {
E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity + 1];
//有多个元素循环多少次
for (int i = 0; i < getSize(); i++) {
//循环队列会发生偏移，重新赋值给新数组
newData[i] = data[(i + front) % data.length];
}
data = newData;
maxSize = data.length;
//重置指针
front = 0;
rear = getSize();
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder res = new StringBuilder();
res.append(String.format("Queue: size = %d , capacity = %d\n", getSize(), getCapacity()));
res.append("front [");
for (int i = front; i != rear; i = (i + 1) % data.length) {
res.append(data[i]);
if ((i + 1) % data.length != rear) {
res.append(", ");
}
}
res.append("] tail");
return res.toString();
}
/**
* 队列测试
*/
public static void main(String[] args) {
DynamicLoopQueue<Integer> queue = new DynamicLoopQueue<>(3);
Scanner sc = new Scanner(System.in);
char c;
boolean loop = true;
while (loop) {
System.out.println("s(toString):输出队列");
System.out.println("e(exit):退出程序");
System.out.println("a(add):添加数据到队列");
System.out.println("p(poll):从队列取出数据");
System.out.println("h(getHead):查看队列头的数据");
System.out.println("n(isEmpty):是否队空");
System.out.println("f(isFull):是否队满");
c = sc.next().charAt(0);
switch (c) {
case 's':
System.out.println("当前队列：" + queue.toString());
break;
case 'e':
sc.close();
loop = false;
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个整数");
queue.add(sc.nextInt());
break;
case 'p':
System.out.printf("出队元素：%d\n", queue.poll());
break;
case 'h':
System.out.printf("队首元素：%d\n", queue.getHead());
break;
case 'n':
System.out.println("队空：" + queue.isEmpty());
break;
case 'f':
System.out.println("队满：" + queue.isFull());
break;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
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