我所知道的数据结构之队列

作者前言

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大家好,我是阿濠,今篇内容跟大家分享的是数据结构之队列,很高兴分享到segmentfault与大家一起学习交流,初次见面请大家多多关照,一起学习进步.

一、什么是消息队列

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官方定义：队列（quene）是允许在一端进行插入操作，而在另一端进行删除操作的线性表

1.队列是一个有序列表，可以用数组或是链表来实现。
2.遵循先入先出的原则。即:先存入队列的数据，要先取出。后存入的要后取出

比如春运时的标语排队走得了、走的及时、走得安全、走的舒适

优先排队的人, 优先处理. (买票, 结账, WC)

队列的插入和删除

对于栈来说，只需要一个栈顶指针就可以了。
但是对于队列来讲，需要两个指针：一个是head指针，指向队头，一个tail指针，指向队尾。

这里图中初始化无数据的时候队首和队尾都为-1,
当有数据增加的时候,队尾在变化,而队首没有变化,说明是队首添加数据

当有数据取出的时候,队首在变化,而队尾没有变化,说明是队尾去除数据

二、消息队列实现方式

数组模拟队列

➢队列本身是有序列表，若使用数组的结构来存储队列的数据，则队列数组的声明如下图,其中maxSize是该队列的最大容量。

➢因为队列的输出、输入是分别从前后端来处理，因此需要两个变量front及rear分别记录队列前后端的下标

使用front记录队首、使用rear记录队尾

front 会随着数据输出而改变代表取出数据,而rear则是随着数据输入而改变代表添加数据

如图所示:

当我们将数据存入队列时称为"addQueue",思路分析如下：
1.判断队列是否满或是否为空,然后才将队尾指针rear往后移：rear+1
2.队尾指针rear小于数组长度-1可以添加,若队尾指针rear==maxSize-1则代表队列已满

编写代码如下：

//使用数组模拟队列-编写ArrayQueue类
public class ArrayQueue {

    private int maxSize; //表示数组的最大容量
    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];//初始化数组
        front = -1; //指向队列头部,即返回即第一个数据的前一个位置
        rear = -1;//指向队列尾部,即返回队列尾的数据(即包含队列最后一个数据)
    }

    //判断队列是否已满
    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){
        //判断队列是否已满,已满不可添加
        if(isFull()){
            System.out.println("队列已满,无法添加数据");
            return ;
        }
        //后移并添加数据
        arr[++rear]=n;
    }
    //从队列取出数据
    public int getQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空,不能取出数据");
            //无需在return  因为throw有带return
        }
        //取出数据后,队头需要往后移,然后返回数据
        return arr[++front];
    }
    //打印队列里的数据
    public  void showQueue() {
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空,无法打印数据");
            return;
        }
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            System.out.printf("arr[%d]=%d\n", i, arr[i]);
        }
    }
    //打印队列头部数据
    public int showheadQueue(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据");
        }
        return arr[front+1];
    }
}

现在添加数据完成方法测试看看队列

 //创建一个队列
ArrayQueue arrayQueue = new ArrayQueue(3);

System.out.println("打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();//打印队列数据

System.out.println("\n添加数据：10");
arrayQueue.addQueue(10);//添加一个数据10

System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();//打印队列数据

//打印头部数据
System.out.println("\n\n显示队列队首信息:"+arrayQueue.showheadQueue());

运行结果如下：

打印队列数据----------------
队列为空,无法打印数据

添加数据：10

打印队列数据----------------
arr[0]=10    arr[1]=0    arr[2]=0    

显示队列队首信息:10

现在数据添加成功、打印数据添加成功、输出队首数据成功,那么继续添加数据看看

System.out.println("\n添加数据：20");
arrayQueue.addQueue(20);//添加一个数据10

System.out.println("\n添加数据：30");
arrayQueue.addQueue(30);//添加一个数据10

System.out.println("\n添加数据：40");
arrayQueue.addQueue(40);//添加一个数据10

那么打印看看会是什么结果呢？

添加数据：20

添加数据：30

添加数据：40
队列已满,无法添加数据

我们发现队列空间为三,再次添加第四个数据的时候,就会出现队列已满无法添加数据的异常

那么我们这样使用数组模拟队列,有没有问题呢？

答案是有的,即数据取出后指向队首的指针上去了，虽然之前的空间没有数据了但无法再次使用了。再次添加数据的时候显示队列已满

问题分析并优化

1.目前数组使用一次就不能再次使用,没有达到复用的效果
2.将数组使用算法,改成环形数组模拟环形队列,使用%

数组模拟环形队列

如何将数组转换成模拟循环队列呢？

思路分析如下：

1.front指针作用进行调整：front指向数组第一个元素，初始值front=0

2.rear指针作用进行调整：rear指向队列的最后一个元素后一个元素,初始值rear=0

原先rear指向的是最后一个元素,现在指向最后一个元素后一个元素为空做约定,这样队列满了之后队首数据front前面元素就为空了,在前一个元素就是队列里的最后一个元素了

3.当队列满时,条件是：(rear+1)%maxSize==front

原先线性数组判断满的条件为rear=maxSize-1，没有考虑复用，即现在是一个环，那么此时的条件=(rear+1)%maxSize==front

4.当队列为空的条件：rear==front

5.队列中有效的个数：(rear+maxSize-front)%maxSize

编写代码如下：

public class CircleArray {

    private int maxSize; //表示数组的最大容量
    //front 就指向队列的第一个元素,也就是说arr[ front]
    //front的初始值= 0
    private int front;
    //rear指向队列的最后一个元素的后一个位置。因为希望空出一个位置做约定区分队列满没满
    //rear的初始值= 0
    private int rear; //队列尾.
    private int[] arr; //该数据用于存放数据，模拟队列

    public CircleArray(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        arr = new int[maxSize];
    }
    //判断队列是否满
    public boolean isFu1l () {
        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) {
    //判断队列是否满
        if (isFu1l()) {
            System.out.println("队列满,不能加入数据~");
            return;
        }
        //因为rear本身指向最后一个元素的后一个位置
        //所以直接赋值,在将rear后移
        arr[rear] = n;
        //rear往后移需要% 即使回到前面有空余的空间位置
        //因为环形队列是一个环,不能像线性数组直接++ 会造成数组越界
        rear=(rear+1)%maxSize;
        //比如说有模拟环形队列数组长度5分别为2，6，7，8
        //即下标4是rear指向最后一个元素的后一个位置
        //如果取出队列数据2,front=1 那么目前的队列数据即是  6,7,8
        //这时rear要回到下标0,不能是++等于下标4 ,所以取% 回到0
    }
    //从队列取出数据
    public int getQueue(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("队列为空,不能取出数据");
            //无需在return  因为throw有带return
        }
        //front的含义：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,指向新的队列第一个元素,考虑取%
        //3.将临时的变量弹出返回
        int value=arr[front];
        front=(front+1)%maxSize;
        return value;
        //比如说有模拟环形队列数组长度5分别为2，6，7，8
        //如果取出队列数据2,那么此时front需要往后移指向新的首数据
        //但是front不能++,因为如果++的话，到了最后一个元素是下标3
        //弹出后++front=4,再添加数据时，rear=下标0,而front是4会爆出异常所以需要取%
    }

    //打印队列里的数据
    public  void showQueue() {
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            System.out.println("队列为空,无法打印数据");
            return;
        }
        //不能像线性数组直接循环打印出数据,因为是数组模拟环形队列
        //思路：从front开始遍历，遍历到front+队列有效个数
        //循环队列从front开始到front+size(),为什么要+front？不能直接小于size()?
        //因为比如说循环队：3，5，6 初始化数据front=0 rear=3
        //那么取出数据3 此时front=1 rear=3 这时打印数据如果是直接小于size()
        //则指打印出1,2 无法打印出真正个数
        for (int i =front; i <front+size(); i++) {
            //为什么要i%maxSize  因为是环形，比如说3，5，6 初始化数据front=0 rear=3
            //此时取出数据3，5，此时front=2 rear=3，即添加数据4，1 此时front=2 rear=1
            //若i=2 此时i<5    5=2+(1 + 4 - 2) % 4;
            //若i不进行i%maxSize 则会在i++时无法回到环形头部 会++到front=5 数组越界爆出异常
            //所以需要i%maxSize回到环形头部
            System.out.printf("arr[%d]=%d\t", i % maxSize, arr[i % maxSize]);
        }
    }

    //求出当前队列有效数据的个数
    public int size() {
        //比如说环形队列空间=4 值=3，5，6
        //初始值front=0 rear=4
        //此时队列有效数据（4+3-0）%4=3 代表有效个数=3
        return (rear + maxSize - front) % maxSize;
    }
    //打印队列头部数据
    public int showheadQueue(){
        //判断队列是否为空
        if (isEmpty()) {
            throw new RuntimeException("队列为空,没有数据");
        }
        //直接返回front，因为front指向队列第一个元素
        return arr[front];
    }
}

那么现在让我们添加数据测试看看把

//创建一个队列
CircleArray arrayQueue = new CircleArray(4);

System.out.println("\n添加数据：10");
arrayQueue.addQueue(10);//添加一个数据10

System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();

运行结果如下：

添加数据：10

打印队列数据----------------
arr[0]=10

我们再加多点数据看看，并看看数组模拟环形队列有什么不一样？

System.out.println("\n添加数据：10");
arrayQueue.addQueue(10);//添加一个数据10

System.out.println("\n添加数据：20");
arrayQueue.addQueue(20);//添加一个数据20

System.out.println("\n添加数据：30");
arrayQueue.addQueue(30);//添加一个数据30

//打印头部数据
System.out.println("\n\n显示队列队首信息:"+arrayQueue.showheadQueue());

System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();

运行结果如下：
显示队列队首信息:10

打印队列数据----------------
arr[0]=10    arr[1]=20    arr[2]=30    

此时我们弹出队首再看看？

System.out.println("\n取出队列首----------------");
arrayQueue.getQueue();

System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();

运行结果如下：
取出队列首----------------

打印队列数据----------------
arr[1]=20    arr[2]=30    

此时我们能添加数据嘛？答案是可以的
它会加到哪呢?答案是：会加到下标3的位置，此时下标0就作为约定位置，因为这个约定的位置是会动态变化的！！！

System.out.println("\n添加数据：50");
arrayQueue.addQueue(50);//添加一个数据50

System.out.println("\n打印队列数据----------------");
arrayQueue.showQueue();

运行结果如下：
添加数据：50

打印队列数据----------------
arr[1]=20    arr[2]=30    arr[3]=50    

那么此时的数组即可反复利用，测试完成