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Java动态循环队列 Java动态循环队列是怎样实现的

Duktig丶   2021-06-08 我要评论
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

image-20210529183259424

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 = 0front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:

image-20210530163134963 

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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