基于數組搭建的環形隊列——Java資料結構

說明

本篇部落格介紹的是Java資料結構中，十分重要的一種類型，隊列。在文中我們用數組來模拟搭建一個環形隊列。在提供代碼前，先帶大家了解一下隊列這種資料結構；然後給出搭建環形隊列的思路以及Java代碼。

隊列介紹

1. 隊列是一個有序清單，可以用數組或是連結清單來實作。
2. 隊列遵循先入先出的原則。即：先存入隊列的資料，要先取出，後存入的資料要後取出
3. 隊列本身是有序清單，若使用數組的結構來存儲隊列的資料，則隊列數組的聲明如下圖, 其中 maxSize 是該隊列的最大容量。 因為隊列的輸出、輸入是分别從前後端來處理，是以需要兩個變量 front及 rear分别記錄隊列前後端的下标，front 會随着資料輸出而改變，而 rear則是随着資料輸入而改變，如圖所示:

   

代碼思路

尾索引的下一個為頭索引時表示隊列滿，即将隊列容量空出一個作為約定,這個在做判斷隊列滿的時候需要注意

(rear + 1) % maxSize == front [表示隊列滿]

rear == front [表示隊列空]

數組實作環形隊列代碼

import java.util.Scanner;

public class CircleArrayQueueDemo {

	public static void main(String[] args) {
		
		//測試一把
		System.out.println("測試數組模拟環形隊列的案例~~~");
		
		// 建立一個環形隊列
		CircleArray queue = new CircleArray(4); //說明設定4, 其隊列的有效資料最大是3
		char key = ' '; // 接收使用者輸入
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);//
		boolean loop = true;
		// 輸出一個菜單
		while (loop) {
			System.out.println("s(show): 顯示隊列");
			System.out.println("e(exit): 退出程式");
			System.out.println("a(add): 添加資料到隊列");
			System.out.println("g(get): 從隊列取出資料");
			System.out.println("h(head): 檢視隊列頭的資料");
			key = scanner.next().charAt(0);// 接收一個字元
			switch (key) {
			case 's':
				queue.showQueue();
				break;
			case 'a':
				System.out.println("輸出一個數");
				int value = scanner.nextInt();
				queue.addQueue(value);
				break;
			case 'g': // 取出資料
				try {
					int res = queue.getQueue();
					System.out.printf("取出的資料是%d\n", res);
				} catch (Exception e) {
					// TODO: handle exception
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case 'h': // 檢視隊列頭的資料
				try {
					int res = queue.headQueue();
					System.out.printf("隊列頭的資料是%d\n", res);
				} catch (Exception e) {
					// TODO: handle exception
					System.out.println(e.getMessage());
				}
				break;
			case 'e': // 退出
				scanner.close();
				loop = false;
				break;
			default:
				break;
			}
		}
		System.out.println("程式退出~~");
	}

}


class CircleArray {
	private int maxSize; // 表示數組的最大容量
	//front 變量的含義做一個調整： front 就指向隊列的第一個元素, 也就是說 arr[front] 就是隊列的第一個元素 
	//front 的初始值 = 0
	private int front; 
	//rear 變量的含義做一個調整：rear 指向隊列的最後一個元素的後一個位置. 因為希望空出一個空間做為約定.
	//rear 的初始值 = 0
	private int rear; // 隊列尾
	private int[] arr; // 該資料用于存放資料, 模拟隊列
	
	public CircleArray(int arrMaxSize) {
		maxSize = arrMaxSize;
		arr = new int[maxSize];
	}
	
	// 判斷隊列是否滿
	public boolean isFull() {
		return (rear  + 1) % maxSize == front;
	}
	
	// 判斷隊列是否為空
	public boolean isEmpty() {
		return rear == front;
	}
	
	// 添加資料到隊列
	public void addQueue(int n) {
		// 判斷隊列是否滿
		if (isFull()) {
			System.out.println("隊列滿，不能加入資料~");
			return;
		}
		//直接将資料加入
		arr[rear] = n;
		//将 rear 後移, 這裡必須考慮取模
		rear = (rear + 1) % maxSize;
	}
	
	// 擷取隊列的資料, 出隊列
	public int getQueue() {
		// 判斷隊列是否空
		if (isEmpty()) {
			// 通過抛出異常
			throw new RuntimeException("隊列空，不能取資料");
		}
		// 這裡需要分析出 front是指向隊列的第一個元素
		// 1. 先把 front 對應的值保留到一個臨時變量
		// 2. 将 front 後移, 考慮取模
		// 3. 将臨時儲存的變量傳回
		int value = arr[front];
		front = (front + 1) % maxSize;
		return value;

	}
	
	// 顯示隊列的所有資料
	public void showQueue() {
		// 周遊
		if (isEmpty()) {
			System.out.println("隊列空的，沒有資料~~");
			return;
		}
		// 思路：從front開始周遊，周遊多少個元素
		// 動腦筋
		for (int i = front; i < front + size() ; i++) {
			System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
		}
	}
	
	// 求出目前隊列有效資料的個數
	public int size() {
		// rear = 2
		// front = 1
		// maxSize = 3 
		return (rear + maxSize - front) % maxSize;   
	}
	
	// 顯示隊列的頭資料， 注意不是取出資料
	public int headQueue() {
		// 判斷
		if (isEmpty()) {
			throw new RuntimeException("隊列空的，沒有資料~~");
		}
		return arr[front];
	}
}