数据结构 队列和链表详解和代码演示
队列
常用数据结构之一，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，双端队列可以两头进和两头出，现在的栈，便是使用双端队列Deque来实现
1.1顺序队列
1.1.1顺序队列介绍
1.rear指针表示指向队尾，front指针表示指向队尾，会随着数据输出和输入而改变
每次在队尾插入一个元素是，rear增1；
每次在队头删除一个元素时，front增1。
将尾指针往后移：rear+1，当front == rear（空）。
2.若尾指针rear小于队列的最大下标maxSize-1,则将数据存入rear所指的数组元素中，否则无法存入数据。rear==maxSize-1（队列满）
3.随着插入和删除操作的进行，队列元素的个数不断变化，队列所占的存储空间也在为队列结构所分配的连续空间中移动。
4.当rear增加到指向分配的连续空间之外时，队列无法再插入新元素，但这时往往还有大量可用空间未被占用，这些空间是已经出队的队列元素曾经占用过得存储单元。
1.1.2顺序队列中的溢出现象：
（1） "下溢"现象：当队列为空时，做出队运算产生的溢出现象。“下溢”是正常现象，常用作程序控制转移的条件。
（2）"真上溢"现象：当队列满时，做进栈运算产生空间溢出的现象。“真上溢”是一种出错状态，应设法避免。
（3）"假上溢"现象：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。该现象称为"假上溢"现象。
1.1.3使用数组代码演示
public class QueueDemo {
public static void main(String[] args) {
//测试
//创建一个队列
ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(5);
char key = ' ';//接受用户输入
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean flag = true;
while (flag) {
System.out.println("s(show):显示队列");
System.out.println("e(exit):退出程序");
System.out.println("a(add):添加数据到队列");
System.out.println("g(get):从队列取出数据");
System.out.println("h(head):查看队列头的数据");
System.out.println("请输入你的选项：");
key = scanner.next().charAt(0);//接受一个字符
switch (key) {
case 's':
arrayQueue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
arrayQueue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int result = arrayQueue.getQueue();
System.out.println("取出的数据是：" + result);
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
break;
case 'h'://查看队列头的信息
try {
int result = arrayQueue.headQueue();
System.out.println("队列头的数据是：" + result);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
break;
case 'e':
scanner.close();
flag = false;
default:
break;
}
}
System.out.println("程序退出");
}
}
//使用数组模拟队列-编写一个ArrayQueue类
class ArrayQueue {
private int maxSize;//表示数组的最大容器
private int front;//队列头
private int rear;//队列尾
private int[] arr;//该数据用于存放数据，模拟队列
//创建队列的构造器
public ArrayQueue(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
front = -1;//指向队列的头部，分析出front是指向队列头的前一个位置
rear = -1;//指向队列尾，指向队列尾的数据（即就是队列最后一个数据）
}
//队列是否满
public boolean isFull() {
return rear == maxSize - 1;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int n) {
//判断队列是否满
if (isFull()) {
System.out.println("队列满，不能加入数据");
return;
}
rear++;//让rear后移
arr[rear] = n;
}
//获取队列的数据，出队列
public int getQueue() {
//判断队列是否为空
if (isEmpty()) {
//通过抛出异常
throw new RuntimeException("队列空，不能取数据");
}
front++;//front后移
return arr[front];
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue() {
//遍历
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列空的，没有数据");
return;
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
System.out.println(i + "," + arr[i]);
}
}
//显示队列的头数据，注意不是取出数据
public int headQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列空的，没有数据");
}
return arr[front + 1];
}
}
1.1.4结果展示
1.2循环队列
1.2.1循环队列介绍
循环队列可以复用
将这个数组使用算法，改进成一个环形的队列取模（%）
1.2.2思路
1.front变量的含义做一个调整：front就指向队列的第一个元素，也就是说arr[front]就是队列的第一个元素
front的初始值为0
2.rear变量的含义做一个调整：rear指向队列的最后一个元素的后一个位置，因为希望空出一个空间作为约定
rear的初始值为0
3.当队列满时，条件是（rear+1）%maxSize=front(满)（循环）
4.当队列为空的条件，rear==front空
5.当我们这样分析，队列中有效数据的个数 (rear+maxSize-front)%maxSize
6.我们就可以在原来的代码修改，得到环形队列
1.2.3 使用数组代码演示
public class QueueDemo1 {
public static void main(String[] args) {
//测试，先创建一个队列
CircleQueue arrQueue = new CircleQueue(5);
char key = ' ';
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
boolean flag = true;
while (flag) {
System.out.println("s(show)：显示队列");
System.out.println("a(add)：添加数据到队列");
System.out.println("g(get):从队列中取出数据");
System.out.println("h(head)：查看队列头的数据");
System.out.println("e(exit)：退出程序");
System.out.println("请输入你的选项：");
key = scanner.next().charAt(0);//接受一个字符
switch (key) {
case 's':
arrQueue.showQueue();
break;
case 'a':
System.out.println("请输入一个数：");
int value = scanner.nextInt();
arrQueue.addQueue(value);
break;
case 'g':
try {
int result = arrQueue.getQueue();
System.out.println("取出的数据是："+result);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
break;
case 'h':
try {
int result = arrQueue.headQueue();
System.out.println("队列头的数据是："+result);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
break;
case 'e':
scanner.close();
flag=false;
}
}
System.out.println("程序退出!");
}
}
/***
*@Descriptin 使用数组模拟队列，编写一个ArrayQueue类
*@data 2021/12/3
*/
class CircleQueue {
private int maxSize;//表示数组的最大容器
private int front;//队列头，front初始化为0
private int rear;//队列尾，rear初始容量为0
private int[] arr;//该数组用于存放数组，模拟队列
//创建一个队列
public CircleQueue(int arrMaxSize) {
maxSize = arrMaxSize;
arr = new int[maxSize];
}
//判断队列是否满
public boolean isFull() {
return (rear + 1) % maxSize == front;
}
//判断队列是否为空
public boolean isEmpty() {
return rear == front;
}
//添加数据到队列
public void addQueue(int number) {
if (isFull()) {
System.out.println("队列满，不能添加数据！");
return;
}
arr[rear] = number;
//将rear后移，这里必须考虑取模
rear = (rear + 1) % maxSize;
}
//获取队列的数据，出队列
public int getQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列空，不能取出数据");
}
/**
* 这里需要分析出front是指向队列的第一个元素
* 1.先把front对应的值保留到一个临时变量
* 2.将front后移，考虑取模
* 3.将临时保存的变量
*/
int value = arr[front];
front = (front + 1) % maxSize;
return value;
}
//显示队列的所有数据
public void showQueue() {
if (isEmpty()) {
System.out.println("队列为空，没有数据！");
return;
}
for (int i = 0; i < front + size(); i++) {
System.out.println(i % maxSize + ",arr[" + arr[i % maxSize] + "]");
}
}
//求出当前队列有效数据的个数
public int size() {
return (rear + maxSize - front) % maxSize;
}
//显示队列的头数据，注意不是取数据
public int headQueue() {
if (isEmpty()) {
throw new RuntimeException("队列空的，没有数据！");
}
return arr[front + 1];
}
}