循环队列的操作原理

2023-10-27

一、循环队列的定义

        为了克服顺序队列中假溢出,通常将一维数组Queue[0]到Queue[MAXSIZE - 1]看成是一个首

尾相连接的圆环,即Queue[0]与Queue[MAXSIZE - 1]相连接在一起,将这样形式的队列成为循环

队列。

二、基本结构

        由两个指针(此处的指针并非是真正的指针而是角标)构成分别是front,rear;rear指的是末尾

元素的下一个;

三、对应的方法实现

(1)入队操作;

        a、首先判断队是否满状态;因为尾指针指向末尾元素+1;所以当(rear + 1) % data.length ==

front时为满状态,因为是循环的所以要对 通过data.length取余。

        b、如果满则进行扩容,扩容的长度为data.length*2-1因为尾指针元素为空所以乘以2倍就多了

两个空因此减一。

        c、如果不满则直接将进队的元素赋给头指针;

 @Override
    public void offer(E element) {
        //满了没
        if ((rear + 1) % data.length == front) {
            resize(data.length * 2 - 1);
        }
        data[rear] = element;
        rear = (rear + 1) % data.length;
        size++;
    }

(2)出队操作

        a、先判空,若不为则获取front指针的元素,将front指针向后移一个;size--;

        b、出队时考虑缩容问题,当size <= (data.length - 1) / 4 && data.length - 1 >

DEFAULT_CAPACITY(默认长度);data.length变为原来长度的1/2+1;

        c.将获取的值返回 ;

@Override
    public E poll() {
        //空不空
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("queue is null");
        }
        E ret = data[front];
        front = (front + 1) % data.length;
        size--;
        if (size <= (data.length - 1) / 4 && data.length - 1 > DEFAULT_CAPACITY) {
            resize(data.length / 2 + 1);
        }
        return ret;
    }

(3)判空操作

        因为尾指针指向的是空,所以当头指针==尾指针是就可以认为队列为空;

@Override
    public boolean isEmpty() {

        return front == rear;
    }

(4)清空队列

        将底层数组置空,front,rear,size置为0;

@Override
    public int size() {

        return size;
    }

(5)输出队列

        通过实现toString()方法利用StringBuilder将队列元素进行拼接并输出,首先对队列进行判空操

作,如果为空则仅需要输出“[]”;如果不为空则进行元素遍历并拼接在“[]”中;

@Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append('[');
        if (isEmpty()) {
            sb.append(']');
            return sb.toString();
        }
        for (int i = front; i != rear; i = (i + 1) % data.length) {
            sb.append(data[i]);
            if ((i + 1) % data.length == rear) {
                sb.append(']');
            } else {
                sb.append(',');
                sb.append(' ');
            }
        }
        return sb.toString();
    }

四、代码实现;

通过实现Queue接口实现循序队列;

Queue接口:

package p1.接口;

public interface Queue<E> extends Iterable<E> {
    public void offer(E element);   //入队
    public E poll();    //出队
    public E element();    //查看队首元素
    public boolean isEmpty();
    public void clear();
    public int size();
}

主程序;

package p2.线性结构;

import p1.接口.Queue;
import java.util.Iterator;
//循环队列
public class ArrayLoopQueue<E> implements Queue<E> {
    private E[] data;   //存储数据的容器
    private int front;  //队首指针(实际上就是数组中的索引角标)
    private int rear;   //队尾指针
    private int size;   //元素的个数 (f < r  r-f ; r < f  r+L-f)
    private static int DEFAULT_CAPACITY = 10;   //默认容量
    public ArrayLoopQueue() {
        data = (E[]) new Object[DEFAULT_CAPACITY + 1];
        front = 0;
        rear = 0;
        size = 0;
    }
    @Override
    public void offer(E element) {
        //满了没
        if ((rear + 1) % data.length == front) {
            resize(data.length * 2 - 1);
        }
        data[rear] = element;
        rear = (rear + 1) % data.length;
        size++;
    }
    @Override
    public E poll() {
        //空不空
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("queue is null");
        }
        E ret = data[front];
        front = (front + 1) % data.length;
        size--;
        if (size <= (data.length - 1) / 4 && data.length - 1 > DEFAULT_CAPACITY) {
            resize(data.length / 2 + 1);
        }
        return ret;
    }

    private void resize(int newLen) {
        E[] newData = (E[]) new Object[newLen];
        int index = 0;
        for (int i = front; i != rear; i = (i + 1) % data.length) {
            newData[index++] = data[i];
        }
        data = newData;
        front = 0;
        rear = index;
    }

    @Override
    public E element() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("queue is null");
        }
        return data[front];
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {

        return front == rear;
    }

    @Override
    public void clear() {
        data = (E[]) new Object[DEFAULT_CAPACITY];
        size = 0;
        front = 0;
        rear = 0;
    }

    @Override
    public int size() {

        return size;
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append('[');
        if (isEmpty()) {
            sb.append(']');
            return sb.toString();
        }
        for (int i = front; i != rear; i = (i + 1) % data.length) {
            sb.append(data[i]);
            if ((i + 1) % data.length == rear) {
                sb.append(']');
            } else {
                sb.append(',');
                sb.append(' ');
            }
        }
        return sb.toString();
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (o == null) {
            return false;
        }
        if (this == o) {
            return true;
        }
        if (o instanceof ArrayLoopQueue) {
            ArrayLoopQueue<E> other = (ArrayLoopQueue<E>) o;
            if (size != other.size) {
                return false;
            }
            int i = front;
            int j = other.front;
            while (i != rear) {
                if (!data[i].equals(other.data[j])) {
                    return false;
                }
                i = (i + 1) % data.length;
                j = (j + 1) % other.data.length;
            }
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    public Iterator<E> iterator() {
        return new ArrayLoopQueueIterator();
    }

    class ArrayLoopQueueIterator implements Iterator<E> {
        private int cur = front;

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return cur != rear;
        }

        @Override
        public E next() {
            E ret = data[cur];
            cur = (cur + 1) % data.length;
            return ret;
        }
    }
}

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