Java队列数据结构的实现

1.队列的基本概念

什么是队列?

• 队列是一种特殊的线性表
• 它只允许在表的前端（队头）进行删除操作
• 在表的后端（队尾）进行插入操作
• 队列是一个有序表(可以用数组或链表实现)
• 队列先进先出
• 队列开辟的是一块连续的空间

顺序队列中的溢出现象：

• 真溢出：当队列满时，做进栈运算产生空间溢出的现象。
• 假上溢：由于入队和出队操作中，头尾指针只增加不减小，致使被删元素的空间永远无法重新利用。当队列中实际的元素个数远远小于向量空间的规模时，也可能由于尾指针已超越向量空间的上界而不能做入队操作。

2.循环队列

在实际使用队列时，为了使队列空间能重复使用，往往对队列的使用方法稍加改进：无论插入或删除，一旦rear指针增1或front指针增1 时超出了所分配的队列空间，就让它指向这片连续空间的起始位置。自己真从MaxSize-1增1变到0，可用取余运算rear%MaxSize和front%MaxSize来实现。这实际上是把队列空间想象成一个环形空间，环形空间中的存储单元循环使用，用这种方法管理的队列也就称为循环队列。除了一些简单应用之外，真正实用的队列是循环队列

3.实现思路

由于普通队列存在溢出问题所以这里用数组来实现环形队列

• 1、front指向队列的首元素 初始为0
• 2、rear指向队列尾元素的后一个位置 (空出来的一块空间作为约定)初始为0
• 3、队列满的条件：(rear+1) % maxSize = front
• 4、队列空的条件：rear = front
• 5、队列中元素的个数：(rear+maxSize-front) % maxSize

为什么队列满的条件是(rear+1) % maxSize = front

(1)假设rear>front
rear-front=maxSize-1
rear+1-maxSize=front
由于当rear>front队列满时rear+1一定等于maxSize
(rear+1) % maxSize = rear+1-maxSize =0
(2)假设front>rear
front-rear=1
rear+1=front
由于当front>rear时rear+1一定小于maxSize
所以(rear+1) % maxSize=rear+1
(3)有上述所示可以得出队列满的条件是(rear+1) % maxSize = front
元素个数的计数与这相似

4.代码实现

public class Queue {
    private int maxSzie; //队列中能存储的最大个数
    private int frontPoint; //头指针指向队头
    private int rearPoint; //尾指针指向队尾的后一个数据
    private int[] array; //模拟队列的数组

    /**
     * 初始化队列
     */
    public Queue(int max) {
        maxSzie = max;
        frontPoint = 0;
        rearPoint = 0;
        array = new int[max];
    }

    /**
     * 判断队列是否为空
     */
    public boolean isEmpty(){
        return frontPoint == rearPoint;
    }
    /**
     * 判断队列是否已满
     */
    public boolean isFull(){
        return (rearPoint+1)%maxSzie == frontPoint;
    }
    /**
     * 向队列中添加数据
     */
    public void add(int x){
        if (isFull()){
            System.out.println("当前队列已满");
            return;
        }
        //添加数据
        array[rearPoint] = x ;
        //后移尾指针
        rearPoint = (rearPoint+1) % maxSzie;
        System.out.println("添加成功");
    }
    /**
     * 取出队列中的数据
     */
    public int remove(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("当前队列为空");
        }
        //把队头的值赋值给临时变量
        int x = array[frontPoint];
        //移除数据后头指针需要向后移动 时其指向新的队头
        frontPoint = (frontPoint+1) % maxSzie;
        System.out.println("移除成功");
        return x;
    }
    /**
     * 获取队列头数据
     */
    public int gethead(){
        if (isEmpty()){
            throw new RuntimeException("当前队列为空");
        }
        return array[frontPoint];
    }
    /**
     * 遍历队列
     */
    public void show(){
        int x = 0;
       for (int i = frontPoint; i <= (rearPoint+maxSzie-frontPoint)%maxSzie; i++) {
            x++;
            System.out.println("队列的第"+x+"个数据是"+array[i]);
        }
    }
}

public class QueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        Queue queue = new Queue(5);
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        char systemIn = ' ';
        boolean noEnd = true;
        while (noEnd){
            System.out.println("a:add(添加数据)");
            System.out.println("r:remove(删除数据)");
            System.out.println("h:head(获取队头)");
            System.out.println("s:show(遍历队列)");
            System.out.println("e:exit(退出程序)");
            System.out.println("请输入字符");
            systemIn = scanner.next().charAt(0);
            switch (systemIn){
                case 'a':
                    System.out.println("请输入入队的数据(数字)");
                    int x = Integer.parseInt(scanner.next());
                    queue.add(x);
                    break;
                case 'r':
                    queue.remove();
                    break;
                case 'h':
                    int head = queue.gethead();
                    System.out.println("队头是"+head);
                    break;
                case 's':
                    queue.show();
                    break;
                case 'e':
                    noEnd = false;
                    break;
            }
        }
    }
}

5.测试

插入元素:

当添加到第五个的时候队列已满插入失败:

遍历队列:

移除元素:

查看队头:

删除一个元素后再次遍历队列:

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