循环队列

SerMs2022-03-202022-03-20

循环队列是队列的一种特殊形式。首先介绍队列，然后引申出循环队列。
队列又称为“先进先出”FIFO线性表
限定插入操作只能在队尾进行，而删除操作只能在队首进行
队列也可以采用顺序存储结构或链表结构来实现，分别称为顺序队列和链队列
队列的顺序表示—顺序队列
用一组连续的存储单元依次存放从队首到队尾的元素，附设两个指针 head 和 tail 分别指向队首元素和队尾元素的位置，
(有的地方用 front 和 rear 表示)
当 head = tail = 0 时表示空队列
当插入新元素到队尾时，tail 加 1
当删除队首元素时，head 加 1，上图如果把 C 也删掉，那么就 head = tail 了
tail 始终指向队列元素的下一个位置
对应的操作：
队空：head=tail
求队长：tail - head
入队：新元素按 tail 指示位置加入，再将队尾指针加 1 ，即 tail = tail + 1
出队：将 head 指示的元素取出，再将队头指针加 1，即 head = head + 1
下面引入循环队列
入队，tail 指针变化： >tail ＝（tail ＋ 1）％maxsize
出队，head 指针变化： >head ＝（ head ＋ 1）％maxsize
删除数据 C，队列为空
依次插入数据 D,E,F,G,H,I,J,K
队列满：head = tail
队满和队空时，均有 head=tail
因此，只凭 head=tail 还无法区分是满还是空。
如何判定队列满还是空？
方法 1：
用一个计数变量来记载队列中的元素个数
初始化队列时 c=0;
当入队时，计数变量＋ 1（ c=c+1 ）
当出队时，计数变量－1 （c=c-1）
当计数变量＝ maxsize 时，队满
当计数变量＝ 0 时，队空
方法 2：
牺牲一个元素空间，来区别队空或队满。
入队前，先判 Q.rear+1 是否等于 Q.front，
若是则为队满。
而当 Q.front=Q.rear 时，为队空。
上图中：当数据 J 入队后，就认为队已满，
而当数据 K 再要入队时，就拒绝入队。
当队列已经满了，如果允许覆盖之前的数据：
队列已经满了之后，
继续插入数据 L,M,N，
之前的数据 D,E,F 被覆盖
此时，队列已经满了，
最新的数据是：G,H,I，J，K,L,M,N
在程序中，取队列的数据的时候，如果检测到队列满了，
此时，需要一次性取出队列中的数据，一次性取出数据的时候，不用管 head 指针，直接按照 tail 指针指向的位置开始取数据，直到循环取到 tail-1 位置停止。最终取出的数据的个数是队列的长度 maxsize
取出之后，可以对队列指针 head 和 tail 初始化为 0，需要将队列满整个标志设置为 False.
当应该用场景如下的时候：
数据是一条一条的进入队列的
队列中的数据是一次性读取的
一次性读取出队列中的所有数据的方式：
因为允许覆盖，有两种情况：
当队列满了之后，
需要根据 tail,从 tail 所在位置的数据，绕一圈到 tail-1 位置所在的数据，都按照顺序取出来，这些数据是按照顺序，最新的数据。
当队列没有满的时候，
队列中所有的数据是 Head 到 tail 之间的所有数据。
这里采用方式 2 来进行代码演示
参考代码：
分析:
当队列满时,条件是(rear + 1) % maxSize = front
队列为空的条件: rear == front
队列有效数据个数:(rear + maxSize - front) % maxSize

import java.util.Scanner;

/**
 * @Author SerMs
 * @Date 2022/3/20 18:39
 * @Version 1.0
 */
public class CircleArrayQueueDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("测试数组模拟环形队列的案例~~~~~");
        //创建一个队列
        CircleArray circleArray = new CircleArray(4); //说明设置4.其队列的有效数据最大是3
        char key = ' '; //接收用户输入
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        boolean loop = true;
        //输出一个菜单
        while (loop) {
            System.out.println("s(show): 显示队列");
            System.out.println("e(exit): 推出队列");
            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");
            key = scanner.next().charAt(0); //接收一个字符
            switch (key) {
                case 's':
                    try {
                        circleArray.showQueue();
                        break;
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                        break;
                    }
                case 'a':
                    System.out.println("请输入一个数");
                    int value = scanner.nextInt();
                    circleArray.addQueue(value);
                    break;
                case 'g': //取出数据
                    try {
                        int res = circleArray.getQueue();
                        System.out.printf("取出的数据是: %d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'h':
                    try {
                        int res = circleArray.headQueue();
                        System.out.printf("队列头数据是:%d\n", res);
                    } catch (Exception e) {
                        System.out.println(e.getMessage());
                    }
                    break;
                case 'e':
                    scanner.close();
                    loop = false;
                    break;
                default:
                    break;
            }
        }
        System.out.println("退出队列~~~");
    }
}

class CircleArray {
    private int maxSize;  //表示数组的最大容量
    //front的初始值=0 也就是说arr[front]就是队列的第一个元素
    private int front;  //队列头
    //rear的初始值=0 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
    private int rear;   //队列尾
    private int[] arr; //该数组用于存放数据,模拟队列

    //创建队列构造器

    public CircleArray(int arrMaxSize) {
        this.maxSize = arrMaxSize;
        this.arr = new int[this.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 n) {
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满,不能加入数据~~~");
        }
        //直接将数据加入
        arr[rear] = n;
        //将rear后移,必须考虑取模
        rear = (rear + 1) % maxSize;
    }

    //获取队列的数据,出队列
    public int getQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,不能获取数据");
        }
        //分析出front是指向队列的第一个元素
        //1.先把front对应的值保存到临时变量
        //2.将front后移 考虑取模
        //3.将临时保存的变量返回
        int value = arr[front];
        front = (front + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    //显示所有数据
    public void showQueue() {
        //遍历
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,不能获取数据");
        }
        //思路:从front开始遍历,遍历多少个元素
        //
        for (int i = front; i < front + size(); i++) {
            System.out.printf("arr[%d] = %d\n", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }

    //求出当前队列有效数据的个数
    public int size() {
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }

    //显示队列头数据,不是取出数据
    public int headQueue() {
        //判断
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据~~~~");
        }
        return arr[front];
    }
}