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Java動態(tài)循環(huán)隊列是如何實現(xiàn)的

 更新時間：2021年06月08日 09:42:36   作者：Duktig丶  
今天帶大家學(xué)習(xí)java隊列的相關(guān)知識,文章圍繞著如何實現(xiàn)Java動態(tài)循環(huán)隊列展開,文中有非常詳細(xì)的介紹及代碼示例,需要的朋友可以參考下

一、隊列

1.1 定義

隊列 (Queue) 是一種限定性的有序線性表，它只允許在表的一端插入元素，而在另一端刪除元素，所以隊列具有先進先出 (Fist In Fist Out，縮寫為FIFO)的特性。

  • 在隊列中，允許插入的一端叫做隊尾(rear)；
  • 允許刪除的一端則稱為隊頭(front)。
  • 隊列是一個有序列表，可以用數(shù)組或是鏈表來實現(xiàn)。
  • 遵循先進先出的原則。即:先存入隊列的數(shù)據(jù)，要先取出。

1.2 抽象數(shù)據(jù)類型

數(shù)據(jù)元素：可以是任意類型的數(shù)據(jù)，但必須屬于同一個數(shù)據(jù)對象。

關(guān)系：隊列中數(shù)據(jù)元素之間是線性關(guān)系。

基本操作:

1.初始化操作。使用構(gòu)造方法設(shè)置一個空隊列。

2.isEmpty():判空操作。若隊列為空，則返回TRUE，否則返回FALSE。

3.isFull():判滿操作。若隊列為滿,則返回TRUE，否則返回FALSE。

4.getSize():獲取隊列元素個數(shù)。

5.add(E e):進隊操作。在隊列Q的隊尾插入e。如果隊滿，拋出異常。

6.poll():出隊操作。使隊列Q的隊頭元素出隊，并用e返回其值。如果隊空，拋出異常。

7.getHead ():取隊頭元素操作。用e取得隊頭元素的值。如果隊列為空，則返回null。

8.clear():隊列置空操作。將隊列Q置為空隊列。

9.destroy():隊列銷毀操作。釋放隊列的空間。

1.3 順序存儲

隊列的一種順序存儲稱為順序隊列。與順序棧類似，在隊列的順序存儲結(jié)構(gòu)中，用一組地址連續(xù)的存儲單元依次存放從隊頭到隊尾的元素，如一維數(shù)組Queue[maxSize]。

二、數(shù)組隊列

由于隊列中隊頭和隊尾的位置都是動態(tài)變化的，因此需要附設(shè)兩個指針 front和 rear。

  • front：指示隊頭元素在數(shù)組中的位置;
  • rear：指示真實隊尾元素相鄰的下一個位置。

2.1 思路分析

  • 初始化隊列時，令front = rear = 0。
  • 判斷隊空的條件：front == rear。
  • 判斷隊滿的條件：rear == maxSize。
  • 入隊時，若尾指針rear 小于隊列的最大下標(biāo) maxSize,則將數(shù)據(jù)存入rear所指的數(shù)組元素中,否則無法存入數(shù)據(jù)；然后將尾指針往后移: rear + 1。
  • 出隊時，若隊列不為空，取出隊頭指針front所指的元素；然后將尾指針往后移: front + 1。

2.2 代碼實現(xiàn)

定義接口方法：

/**
 * description:自定義隊列接口
 *
 * @author RenShiWei
 * Date: 2021/5/29 20:45
 **/
public interface Queue<E> {

    /**
     * @return 是否隊空
     */
    boolean isEmpty();

    /**
     * @return 是否隊滿
     */
    boolean isFull();

    /**
     * @return 隊列的可承載元素個數(shù)
     */
    int getCapacity();

    /**
     * @return 隊列元素個數(shù)
     */
    int getSize();

    /**
     * 隊尾入隊
     *
     * @param e 入隊元素
     */
    void add(E e);

    /**
     * 隊首出隊
     *
     * @return 出隊元素
     */
    E poll();

    /**
     * 獲取隊首元素
     *
     * @return 隊首元素
     */
    E getHead();

}

2.3 數(shù)組隊列實現(xiàn)

/**
 * description:數(shù)組隊列
 *
 * @author RenShiWei
 * Date: 2021/5/29 20:41
 **/
public class ArrayQueue<E> implements Queue<E> {

    /** 表示可存儲元素的最大容量 */
    private int maxSize;
    /** 隊列頭 */
    private int front;
    /** 隊列尾 */
    private int rear;
    /** 該數(shù)據(jù)用于存放數(shù)據(jù)，模擬隊列 */
    private E[] data;

    /**
     * 初始化隊列
     *
     * @param arrMaxSize 初始隊列最大容量
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        data = (E[]) new Object[maxSize];
        front = 0;
        rear = 0;
    }

    /**
     * @return 是否隊空
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    /**
     * @return 是否隊滿
     */
    @Override
    public boolean isFull() {
        return rear == maxSize;
    }

    /**
     * @return 隊列元素個數(shù)
     */
    @Override
    public int getSize() {
        return rear - front;
    }

    /**
     * 隊尾入隊
     *
     * @param e 入隊元素
     */
    @Override
    public void add(E e) {
        if (isFull()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列已滿，不能入隊！");
        }
        data[rear++] = e;
    }

    /**
     * 隊首出隊
     *
     * @return 出隊元素
     */
    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列為空，不能出隊！");
        }
        //出隊位置置null
        E temp = data[front];
        data[front++] = null;
        return temp;
    }

    /**
     * 獲取隊首元素
     * 如果隊空，返回null
     *
     * @return 隊首元素
     */
    @Override
    public E getHead() {
        return data[front];
    }

    /**
     * @return 隊列的可承載元素個數(shù)
     */
    @Override
    public int getCapacity() {
        return data.length - 1;
    }

    /**
     * @return 隊列的有效容量（未使用的空間數(shù)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();
    }

    /**
     * 隊列測試
     */
    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):輸出隊列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            System.out.println("a(add):添加數(shù)據(jù)到隊列");
            System.out.println("p(poll):從隊列取出數(shù)據(jù)");
            System.out.println("h(getHead):查看隊列頭的數(shù)據(jù)");
            System.out.println("n(isEmpty):是否隊空");
            System.out.println("f(isFull):是否隊滿");
            c = sc.next().charAt(0);
            switch (c) {
                case 's':
                    System.out.println("當(dāng)前隊列：" + queue.toString() + "\t元素個數(shù)：" + queue.getSize() + "\t有效容量：" + queue.getEmptyCount());
                    break;
                case 'e':
                    sc.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("請輸入一個整數(shù)");
                    queue.add(sc.nextInt());
                    break;
                case 'p':
                    System.out.printf("出隊元素：%d\n", queue.poll());
                    break;
                case 'h':
                    System.out.printf("隊首元素：%d\n", queue.getHead());
                    break;
                case 'n':
                    System.out.println("隊空：" + queue.isEmpty());
                    break;
                case 'f':
                    System.out.println("隊滿：" + queue.isFull());
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }

}

2.4 分析

假溢出現(xiàn)象

在非空順序隊列中，隊頭指針始終指向當(dāng)前的隊頭元素，而隊尾指針始終指向真正隊尾元素。當(dāng)rear == maxSize - 1 時，認(rèn)為隊滿。但此時不一定是真的隊滿，因為隨著部分元素的出隊，數(shù)組前面會出現(xiàn)一些空單元，如下圖所示。由于只能在隊尾入隊，使得上述空單元無法使用。把這種現(xiàn)象稱為假溢出。

image-20210529183259424

問題：目前這個數(shù)組使用一次就不能用（出隊的空間），沒有達(dá)到復(fù)用的效果。可使用算法將其改造成環(huán)形隊列（取模：%）。

三、環(huán)形隊列

為了解決假溢出現(xiàn)象并使得隊列空間得到充分利用,一個較巧妙的辦法是將順序隊列的數(shù)組看成一個環(huán)狀的空間，即規(guī)定最后一個單元的后繼為第一個單元，我們形象地稱之為循環(huán)隊列。

3.1 思路分析

  • 初始化隊列時，令front = rear = 0。front指向隊列的第一個元素，rear指向隊列最后一個元素的后一個位置（希望損失一個位置作為約定，用來區(qū)分隊空和隊滿）。
  • 判斷隊空的條件：front == rear。
  • 判斷隊滿的條件：(rear + 1) % maxSize == front。
  • 隊列中的元素個數(shù)：(rear + maxSize - front) % maxSize。
  • 入隊時，將數(shù)據(jù)存入rear所指的數(shù)組元素中，指針變化：rear = ( rear+1) % maxSize。
  • 出隊時，將數(shù)據(jù)存入front所指的數(shù)組元素中，指針變化：front = ( front+1 ) % maxSize。

下圖給出了循環(huán)隊列的幾種情況：

image-20210530163134963 

3.2 代碼實現(xiàn)

/**
 * description:循環(huán)隊列
 *
 * @author RenShiWei
 * Date: 2021/5/30 16:38
 **/
public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {

    /** 存儲元素 數(shù)組的長度（有效長度需要-1） */
    private int maxSize;
    /** 隊列頭 */
    private int front;
    /** 隊列尾 */
    private int rear;
    /** 該數(shù)據(jù)用于存放數(shù)據(jù)，模擬隊列 */
    private E[] data;

    /**
     * 初始化環(huán)形隊列
     *
     * @param arrMaxSize 初始隊列容量
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public LoopQueue(int arrMaxSize) {
        //循環(huán)隊列需要有意識浪費一個空間
        maxSize = arrMaxSize + 1;
        data = (E[]) new Object[maxSize];
    }

    /**
     * @return 是否隊空
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    /**
     * @return 是否隊滿
     */
    @Override
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    /**
     * @return 隊列的可承載元素個數(shù)
     */
    @Override
    public int getCapacity() {
        return data.length - 1;
    }

    /**
     * @return 隊列元素個數(shù)
     */
    @Override
    public int getSize() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    /**
     * 隊尾入隊
     *
     * @param e 入隊元素
     */
    @Override
    public void add(E e) {
        if (isFull()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列已滿，不能入隊！");
        }
        data[rear] = e;
        //rear指針后移一位
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    /**
     * 隊首出隊
     *
     * @return 出隊元素
     */
    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列為空，不能出隊！");
        }
        E temp = data[front];
        //出隊位置置null
        data[front] = null;
        //front指針后移一位
        front = (front + 1) % maxSize;
        return temp;
    }

    /**
     * 獲取隊首元素
     * 如果隊空，返回null
     *
     * @return 隊首元素
     */
    @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();
    }

    /**
     * 隊列測試
     */
    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):輸出隊列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            System.out.println("a(add):添加數(shù)據(jù)到隊列");
            System.out.println("p(poll):從隊列取出數(shù)據(jù)");
            System.out.println("h(getHead):查看隊列頭的數(shù)據(jù)");
            System.out.println("n(isEmpty):是否隊空");
            System.out.println("f(isFull):是否隊滿");
            c = sc.next().charAt(0);
            switch (c) {
                case 's':
                    System.out.println("當(dāng)前隊列：" + queue.toString());
                    break;
                case 'e':
                    sc.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("請輸入一個整數(shù)");
                    queue.add(sc.nextInt());
                    break;
                case 'p':
                    System.out.printf("出隊元素：%d\n", queue.poll());
                    break;
                case 'h':
                    System.out.printf("隊首元素：%d\n", queue.getHead());
                    break;
                case 'n':
                    System.out.println("隊空：" + queue.isEmpty());
                    break;
                case 'f':
                    System.out.println("隊滿：" + queue.isFull());
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }


}

3.3 分析

相比數(shù)組隊列來說，循環(huán)隊列解決了數(shù)組空間不能再次利用的問題。但依然存在一些問題：

  • 當(dāng)隊列真的滿的時候就不能再進行入隊操作了。但是從我們常用的ArrayList來分析，在存儲空間允許的條件下是可以一直添加元素的。
  • 當(dāng)數(shù)組元素頻繁進行入隊或者出隊操作時，可能造成空間的浪費。循環(huán)隊列其實只利用了有限的存儲空間，但是在最初實例化循環(huán)隊列的時候，如果空間聲明的很大，那么會造成一定程度上的空間浪費。
  • 假設(shè)，聲明一個容量為20的循環(huán)隊列，但每次入隊2個元素后，又出隊2個元素，那么實際只利用了很有限的空間，造成了空間浪費，但又不能聲明的空間太小，并不能保證未來每次只入隊或者出隊2個元素。

因此，是否可以實現(xiàn)動態(tài)的將循環(huán)隊列進行擴容或者縮容，上述兩個問題，可以利用下面的動態(tài)循環(huán)隊列來實現(xiàn)。

當(dāng)然，上述的數(shù)組隊列，也可以改造成動態(tài)的，但是出隊元素的空間依然會浪費，所以沒必要進行實現(xiàn)。

四、動態(tài)循環(huán)隊列

為了解決循環(huán)隊列，隊滿不能入隊，以及頻繁入隊出隊引起的空間浪費，而引出動態(tài)循環(huán)隊列的概念。即在隊滿時進行擴容，在隊列元素個數(shù)下降到一定情況下進行縮容。

4.1 思路分析

  • 除了入隊和出隊操作，其他操作均與循環(huán)隊列相同。
  • 循環(huán)隊列存儲元素的數(shù)組容量變更思路：使用擴容一倍/縮容一倍的新數(shù)組接收原來循環(huán)隊列存儲的元素。接收后，將front指針置為0；將rear指針值到最后一個元素的位置（即存儲有效元素的數(shù)量）。
  • 什么時候擴容：隊滿
  • 什么時候縮容：隊列元素只有1/4，并且縮容后容量不為0。
  • 數(shù)組容量為0時，縮容會出現(xiàn)異常
  • 為什么不在隊列元素只有1/2時縮容？當(dāng)數(shù)組元素為一半的時候一次添加，一次刪除，造成的一直擴容和減小的操作。

4.2 代碼實現(xiàn)

/**
 * description:動態(tài)循環(huán)
 *
 * @author RenShiWei
 * Date: 2021/5/30 17:06
 **/
public class DynamicLoopQueue<E> implements Queue<E> {

    /** 存儲元素 數(shù)組的長度（有效長度需要-1） */
    private int maxSize;
    /** 隊列頭 */
    private int front;
    /** 隊列尾 */
    private int rear;
    /** 該數(shù)據(jù)用于存放數(shù)據(jù)，模擬隊列 */
    private E[] data;

    /**
     * 初始化環(huán)形隊列
     *
     * @param arrMaxSize 初始隊列容量
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public DynamicLoopQueue(int arrMaxSize) {
        //循環(huán)隊列需要有意識浪費一個空間
        maxSize = arrMaxSize + 1;
        data = (E[]) new Object[maxSize];
    }

    /**
     * @return 是否隊空
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == rear;
    }

    /**
     * @return 是否隊滿
     */
    @Override
    public boolean isFull() {
        return (rear + 1) % maxSize == front;
    }

    /**
     * @return 隊列的可承載元素個數(shù)
     */
    @Override
    public int getCapacity() {
        return data.length - 1;
    }

    /**
     * @return 隊列元素個數(shù)
     */
    @Override
    public int getSize() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    /**
     * 隊尾入隊
     *
     * @param e 入隊元素
     */
    @Override
    public void add(E e) {
        if (isFull()) {
            //隊滿不再進行報錯，而是進行動態(tài)擴容
            resize(getCapacity() * 2);
        }
        data[rear] = e;
        //rear指針后移一位
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    /**
     * 隊首出隊
     *
     * @return 出隊元素
     */
    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("隊列為空，不能出隊！");
        }
        E temp = data[front];
        //出隊位置置null
        data[front] = null;
        //front指針后移一位
        front = (front + 1) % maxSize;

        //當(dāng)數(shù)組實際元素減小到空間的一半的時候，對其進行縮小
        //if(size == data.length / 2)
        /*
            解決當(dāng)一半的時候一次添加，一次刪除，造成的一直擴容和減小的操作，
            增加必須要擴容，所以可以讓縮容變得更懶時在進行，即1/4時
            data.length / 2 != 0防止數(shù)組大小最后變成0，造成異常
        */
        if (getSize() == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) {
            resize(getCapacity() / 2);
        }
        return temp;
    }

    /**
     * 獲取隊首元素
     * 如果隊空，返回null
     *
     * @return 隊首元素
     */
    @Override
    public E getHead() {
        return data[front];
    }

    /**
     * 擴容方法
     *
     * @param newCapacity 擴容后的隊列大小
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    private void resize(int newCapacity) {
        E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity + 1];
        //有多個元素循環(huán)多少次
        for (int i = 0; i < getSize(); i++) {
            //循環(huán)隊列會發(fā)生偏移，重新賦值給新數(shù)組
            newData[i] = data[(i + front) % data.length];
        }
        data = newData;
        maxSize = data.length;
        //重置指針
        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();
    }

    /**
     * 隊列測試
     */
    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):輸出隊列");
            System.out.println("e(exit):退出程序");
            System.out.println("a(add):添加數(shù)據(jù)到隊列");
            System.out.println("p(poll):從隊列取出數(shù)據(jù)");
            System.out.println("h(getHead):查看隊列頭的數(shù)據(jù)");
            System.out.println("n(isEmpty):是否隊空");
            System.out.println("f(isFull):是否隊滿");
            c = sc.next().charAt(0);
            switch (c) {
                case 's':
                    System.out.println("當(dāng)前隊列：" + queue.toString());
                    break;
                case 'e':
                    sc.close();
                    loop = false;
                    break;
                case 'a':
                    System.out.println("請輸入一個整數(shù)");
                    queue.add(sc.nextInt());
                    break;
                case 'p':
                    System.out.printf("出隊元素：%d\n", queue.poll());
                    break;
                case 'h':
                    System.out.printf("隊首元素：%d\n", queue.getHead());
                    break;
                case 'n':
                    System.out.println("隊空：" + queue.isEmpty());
                    break;
                case 'f':
                    System.out.println("隊滿：" + queue.isFull());
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("程序退出");
    }

}

到此這篇關(guān)于Java動態(tài)循環(huán)隊列是如何實現(xiàn)的的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java動態(tài)循環(huán)隊列內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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