Java 循环队列/环形队列的实现流程
之前,我们使用链表实现了基础队列,链接放在这里可以去康康哟
Java栈和基础队列的实现详解
之所以没有选择数组来实现,是因为每有一个元素出队,数组中所有剩下的元素都需要向前移动一次,因此没有链表高效。
此时,我们就引出了循环队列的概念。
循环队列,又称环形队列,逻辑上是一个环,物理上依然是线性表。
head-指向队列的第一个元素
tail-指向队列最后一个元素的下一个位置
当tail走到数组末尾时,下一步再次返回数组头部(从0开始)
出队之后的元素就访问不到了,此时逻辑上已经将它删除了,tail向后走到该位置时覆盖它即可。此时就解决了数组队列需要一直搬运元素的问题。
了解循环队列的概念之后,我们就能明白它的几个基础知识:
当head == tail 时,表示队列为空
根据上面 head 和 tail 的定义,队列已满时,tail 指向最后一个元素的下一个位置,也就是head ,此时我们就无法区分环形队列到底是已满还是为空。所以我们在环形队列的数组中浪费一个空间,在区分数组是否已满,如下图,就是一个已满的队列
那么如何移动 tail 指针使他返回数组头部呢?我们运用取模操作:
tail = ( tail + 1 ) % 数组.length;
根据上式我们就能判断队列是否已满的方法:
( tail + 1 ) % 数组.length == head;
此时 head 和 tail 引用向后移动时,不能简单的 +1,要 ++ 之后对数组长度取模,这样就可以返回数组头部继续向后移动:
head = ( head +1 ) % 数组.length;
tail = ( tail +1 ) % 数组.length;
那么如何获取当前队列最后一个元素的索引呢?
图①中最后一个元素的索引就是 tail -1
图②的tail恰好在数组第一个位置,这时最后一个元素下标就是 数组.length -1
综上:数组最后一个元素的索引lastIndex
lastIndex = tail == 0 ? 数组.length -1 : tail -1;
代码实现:
public interface Queue<E> { void offer(E val);//入队 E poll();//出队,返回出队的值 E peek();//返回队首元素 boolean isEmpty();//判断是否为空 } import java.util.NoSuchElementException; //基于整型的循环队列 public class LoopQueue implements Queue<Integer>{ private Integer[] data; private int head;//队首元素 private int tail;//队尾元素的下一个位置 private int size;//当前元素个数 public LoopQueue(int n){ //n为希望保存的元素个数 //在循环队列中要浪费一个元素空间,来判断是否已满,所以 +1 data = new Integer[n + 1]; } @Override //添加元素 public void offer(Integer val) { if(isFull()){ throw new ArrayIndexOutOfBoundsException("queue is full, cannot offer new val"); } data[tail] = val; //tail向后移 tail = (tail + 1) % data.length; size++; } @Override //出队 public Integer poll() { if (isEmpty()){ throw new NoSuchElementException("queues empty!cannot poll"); } Integer val = data[head]; //head向后移动 head = (head + 1) % data.length; size--; return val; } @Override public Integer peek() { if (isEmpty()){ throw new NoSuchElementException("queues empty!cannot poll"); } return data[head]; } @Override //判断是否为空 public boolean isEmpty() { return tail == head; } public String toString(){ StringBuilder sb = new StringBuilder(); sb.append("front["); //取得最后一个元素的下标 int lastIndex = tail == 0 ? data.length-1 : tail-1; for (int i = head; i != tail; ) { sb.append(data[i]); if (i != lastIndex){ sb.append(","); } i = (i+1) % data.length; } sb.append("]tail"); return sb.toString(); } //判断队列是否已满 public boolean isFull(){ return (tail + 1) % data.length == head; } }
//代码测试 public class LoopQueueTest { public static void main(String[] args) { Queue<Integer> loopQueue = new LoopQueue(5); for (int i = 0; i < 5; i++) { loopQueue.offer(i+1); } System.out.println(loopQueue); // loopQueue.offer(1); System.out.println(loopQueue.poll()); System.out.println(loopQueue); } }
运行结果:
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