Java单向队列及环形队列的实现原理是什么

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队列的特点

1.可以使用数组和链表两种方式来实现。

2.遵循先入先出(FIFO)的规则，即先进入的数据先出。

3.属于有序列表。

图解实现过程：

1.定义一个固定长度的数组，长度为maxSize。

2.设置两个指针first = -1（指向队列第一个数据的前一位，这样保证在添加第一个数据以后头指针为0，和数组的下标一样，且用于操作出队）和last = -1(指向队尾，用于操作入队)。

3.即first会因为出队操作而增加，last会因为入队操作而增加

代码实现：

package 队列;public class ArrayQueueTest {    public static void main(String[] args) {        ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);        arrayQueue.addQueue("琼");        arrayQueue.addQueue("赟");        arrayQueue.addQueue("珑");        arrayQueue.showAllQueueData();        System.out.println(arrayQueue.getQueue());       }}class ArrayQueue{    private int maxSize;//定义队列的最大长度    private int first ;//指向队列头的前一个位置！！前一个位置！！出队方向    private int last ;//指向队列尾部!!即最后一个数据！！！入队方向    private String[] arr; //先建一个空的数组，具体长度未知，需要maxSize来确定。            //构造器初始化队列信息    public ArrayQueue(int maxSize){        this.maxSize = maxSize;        this.first = -1;        this.last = -1;        arr = new String[maxSize];    }            //判断是否为空    public boolean isEmpty(){        if (first == last) {            System.out.println("队列为空~~");            return true;        }else {            System.out.println("队列不为空~~");            return false;        }    }        //判断队列是否满    public boolean isFull(){        if (last == maxSize-1) {            System.out.println("队列已满~~");            return true;        }else {            System.out.println("队列未满~~");            return false;        }    }            //入队    public void addQueue(String data){        if (last == maxSize-1){            System.out.println("队列已满，不能再添加！！");            return;        }else {            last++; //添加数据只和末尾下标有关            arr[last] = data;            return;        }    }            //出队    public String getQueue(){        if (isEmpty()) {            //因为getQueue方法是int型，需要返回数据，如果无数据，也需要返回            //如果返回-1或者其他数据，会让人误解获取到的数就是-1或者其他            //所以用抛出异常来处理            throw new RuntimeException("队列为空，无数据~~");        }        else {            first++;            return arr[first];        }    }            //遍历队列所有信息    public void showAllQueueData(){        if (first == last){            return;        }        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {            System.out.println("arr["+i+"]"+"="+arr[i]);        }    }            //获取队列头数据    public String headQueueData(){        if (isEmpty()){            throw new RuntimeException("无数据~~~");        }        return arr[++first];    }}

队列缺点：

由于出队操作，使得first指针上移变大，导致数组前面空出来的位置就不能再继续添加数据，即不能再被重复使用，这样一个队列只能使用一次，内存效率太低，所以需要使用环形队列来优化解决。

优化解决--环形队列实现思路

1.first指针初始默认设置为0，指向队列头部，则arr[first] 就是第一个数据。

2.last指针初始默认也为0，但是会随着增加数据而后移。

3.队列满的条件：

(last + 1) % maxSize == first

last+1是为了让指针后移，而且如果不设置为 last+1 那么一开始的时候last为0 ， last % maxSize == 0，且first也为0，还没加数据就满了。

4.队列为空的条件：

first == last

5.由于判断是否满的时候： last+1 ，导致实际上可以装的数据比数组长度少 1

环形队列各步骤及各方法实现讲解

1.队列初始化 ：

class CircleArryQueue{    private int maxSize ; //数组长度，即队列最大容量    private int first;         //头指针，控制出队操作    private int last;       //尾指针，控制入队操作    private int[] arr;      //数组类型，可以换其他的。    //构造器初始化信息    public CircleArryQueue(int maxSize){        this.maxSize = maxSize;        this.arr = new int[maxSize];        this.first = 0;               //这两个可以不加，不叫也是默认为0        this.last = 0;    }}

2.判断队列是否为空：

 public boolean isEmpty(){        //头指针和尾指针一样 则说明为空        return last == first;    }

3.判断队列是否满：

/**这里的 last+1 主要是为了让指针后移，特别是在队列尾部添加数据的时候，本来用last也可以判断，但*是一开始还没加数据的时候，如果直接用last % maxSize == first，结果是true，所以为了解决指针后*移和判断是否满，用来last+1。其次，因为last+1可能会导致数组指针越界，所以用取模来控制它的范  * 围，同时保证他会在一个固定的范围循环变换，也利于环形队列的实现。*/public boolean isFull(){    return (last + 1) % maxSize == first;}

4.添加数据到队列尾部：入队

public void pushData(int data){    //先判断是否满了    if(isFull()){        System.out.println("队列已经满啦~~");        return;    }    arr[last] = data;    //last+1是为了后移，取模是为了避免指针越界，同时可以让指针循环    last = (last + 1) % maxSize;}

5.取出队首数据：出队

public int popData(){        if (isEmpty()) {            //抛异常就可以不用返回数据了            new RuntimeException("队列为空，没有获取到数据~~");        }               //要先把first对应的数组数据保存-->first后移-->返回数据        int value = arr[first];                //first+1的操作和last+1是一样的，取模也是         first = (first+1) % maxSize;        System.out.println(value);        return value;            //如果不保存first指针 那么返回的数据就不对了                //如果直接返回数据，那first指针还没后移 也不对，所以需要使用第三方变量    }

6.展示队列中所有数据：

public void showAllData(){        if (isEmpty()) {            System.out.println("队列为空，没有数据~~");            return;        }                //此处i不为0，是因为有可能之前有过popData()操作，使得firs不为0，所以最好使用            //first给i动态赋值，        for (int i = first; i < first+size() ; i++) {            System.out.println("arr["+i%maxSize+"]"+arr[i%maxSize]);        }

7.获取队列中数据的总个数：

public int dataNum(){        //韩顺平老师的教程上是这样写，但是我理解不了..........。        return (last+maxSize-first) % maxSize;   }

8.查看队首数据但不弹出：

public void seeFirstData(){    return arr[first];}

全部代码整合：

package 练习;import java.util.Scanner;public class CircleArryQueue {    public static void main(String[] args){        CircleQueue circleQueue = new CircleQueue(4);        System.out.println("--------测试环形队列--------");        char key = ' ';        Scanner scanner = new Scanner(System.in);        boolean flag = true;        while (flag){            System.out.println("s(showAllData):查看队列数据");            System.out.println("p(pushData):队尾添加数据");            System.out.println("g(popData):弹出队头数据");            System.out.println("h(seefirstData)：获取队头数据");            System.out.println("e(exit):退出程序");            key = scanner.next().charAt(0);            switch (key){                case 's':                    circleQueue.showAllData();                    break;                case 'p':                    System.out.println("输入一个数据：");                    int obj = scanner.nextInt();                    circleQueue.pushData(obj);                    break;                case 'g':                    circleQueue.popData();                    break;                case 'h':                    circleQueue.seeFirstData();                    break;                case 'e':                    scanner.close();                    flag = false;                    break;                default:                    break;            }        }        System.out.println("程序结束~~~");    }}class CircleQueue {    private int maxSize ; //数组长度，即队列最大容量    private int first;         //头指针，控制出队操作    private int last;       //尾指针，控制入队操作    private int[] arr;      //数组类型，可以换其他的。    //构造器初始化信息    public CircleQueue(int maxSize){        this.maxSize = maxSize;        this.arr = new int[maxSize];        this.first = 0;               //这两个可以不加，不叫也是默认为0        this.last = 0;    }    public boolean isEmpty(){        //头指针和尾指针一样 则说明为空        return last == first;    }/**这里的 last+1 主要是为了让指针后移，特别是在队列尾部添加数据的时候，本来用last也可以判断但*是一开始还没加数据的时候，如果直接用last % maxSize == first，结果是true，所以为了解决指针*后移和判断是否满，用来last+1。其次，因为last+1可能会导致数组指针越界，所以用取模来控制它*的范围，同时保证他会在一个固定的范围循环变换，也利于环形队列的实现。*/    public boolean isFull(){        return (last + 1) % maxSize == first;    }    public void pushData(int data){        //先判断是否满了        if(isFull()){            System.out.println("队列已经满啦~~");            return;        }        arr[last] = data;        //last+1是为了后移，取模是为了避免指针越界，同时可以让指针循环        last = (last + 1) % maxSize;    }    public int popData(){        if (isEmpty()) {            //抛异常就可以不用返回数据了            throw new RuntimeException("队列为空，没有获取到数据~~");        }        //要先把first对应的数组数据保存-->first后移-->返回数据        int value = arr[first];        //first+1的操作和last+1是一样的，取模也是        first = (first+1) % maxSize;        System.out.println(value);        return value;        //如果不保存first指针 那么返回的数据就不对了        //如果直接返回数据，那first指针还没后移 也不对，所以需要使用第三方变量    }            //查看所有数据    public void showAllData(){        if (isEmpty()) {            System.out.println("队列为空，没有数据~~");        }        //此处i不为0，是因为有可能之前有过popData()操作，使得firs不为0，所以最好使用        //first给i动态赋值，        for (int i = first; i < first+dataNum() ; i++) {            System.out.println("arr["+i%maxSize+"]"+arr[i%maxSize]);        }    }        //查看有效数据个数    public int dataNum(){        //韩顺平老师的教程上是这样写，但是我理解不了..........。        return (last+maxSize-first) % maxSize;    }        //查看队列第一个数据    public int seeFirstData(){            System.out.println(arr[first]);        return arr[first];            }}

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