Java动态循环队列是如何实现的

今天带大家学习java队列的相关知识,文章围绕着如何实现Java动态循环队列展开,文中有非常详细的介绍及代码示例,需要的朋友可以参考下

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 { /** * @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 implements Queue { /** 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  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 implements Queue { /** 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 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 implements Queue { /** 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  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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