Java循環(huán)隊(duì)列原理與用法詳解

更新時(shí)間：2020年03月17日 08:44:21 作者：WFaceBoss

這篇文章主要介紹了Java循環(huán)隊(duì)列原理與用法,結(jié)合實(shí)例形式詳細(xì)分析了Java循環(huán)隊(duì)列基本概念、原理、用法及操作注意事項(xiàng),需要的朋友可以參考下

本文實(shí)例講述了Java循環(huán)隊(duì)列原理與用法。分享給大家供大家參考，具體如下：

在正式進(jìn)行循環(huán)隊(duì)列學(xué)習(xí)之前，我們先來看看在順序隊(duì)列中刪除隊(duì)首元素出現(xiàn)的問題

（1）設(shè)一個(gè)容量為capacity=8，size=5(a,b,c,d,e)的數(shù)組，左側(cè)為隊(duì)首、右側(cè)為隊(duì)尾。

（2）出隊(duì)一個(gè)元素后，需整體往前移動一位

#出隊(duì)

#2整體前移一位

關(guān)于該種操作方式我們很容易得出時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。

這時(shí)我們就想可不可以在出隊(duì)元素后，整體元素不往前移，而是在數(shù)組中記下隊(duì)首front是誰，同時(shí)隊(duì)尾tail指向在下一次元素入隊(duì)時(shí)的位置，這樣當(dāng)再有出隊(duì)時(shí)只需要維護(hù)一下front的指向即可，而不需移動元素。就這樣我們就有了循環(huán)隊(duì)列的情況。

2.循環(huán)隊(duì)列原理

(1)初始，數(shù)組整體為空時(shí)，隊(duì)首front、隊(duì)尾tail指向同一個(gè)位置（數(shù)組索引為0的地方）也即front==tail 時(shí)隊(duì)列為空

(2)當(dāng)往數(shù)組中添加元素后，

(3)出隊(duì)一個(gè)元素，front指向新的位置

(4)入隊(duì)元素，tail疊加

(5)當(dāng)tail不能再增加時(shí)，數(shù)組前面還有空余，此時(shí)循環(huán)隊(duì)列就該出場了。

此時(shí)數(shù)組應(yīng)該變?yōu)檫@樣：

在往數(shù)組中添加一個(gè)元素：

這樣數(shù)組就已經(jīng)滿了（tail+1==front 隊(duì)列滿），開始出發(fā)擴(kuò)容操作?！綾apacity中，浪費(fèi)一個(gè)空間】。

為了tail能返回到數(shù)組的前面位置，將隊(duì)列滿的表達(dá)式變?yōu)?【（tail+1）%c==front】這樣數(shù)組就可以循環(huán)移動了。

3.循環(huán)隊(duì)列代碼實(shí)現(xiàn)

新建一個(gè)類LoopQueue并實(shí)現(xiàn)接口Queue。

#1：接口Queue代碼如下：

package Queue;

public interface Queue<E> {
  //獲取隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)
  int getSize();

  //隊(duì)列中元素是否為空
  boolean isEmpty();

  //入隊(duì)列
  void enqueue(E e);

  //出隊(duì)列
  E dequeue();

  //獲取隊(duì)首元素
  E getFront();
}

#2：LoopQueue相關(guān)代碼：

package Queue;

//循環(huán)隊(duì)列
public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {
  private E[] data;
  private int front, tail;
  private int size;//隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)

  //構(gòu)造函數(shù)，傳入隊(duì)列的容量capacity構(gòu)造函數(shù)
  public LoopQueue(int capacity) {
    data = (E[]) new Object[capacity + 1];//浪費(fèi)與一個(gè)空間
    front = 0;
    tail = 0;
    size = 0;
  }

  //無參構(gòu)造函數(shù)，默認(rèn)隊(duì)列的容量capacity=10
  public LoopQueue() {
    this(10);
  }

  //真正容量
  public int getCapacity() {
    return data.length - 1;
  }

  //隊(duì)列是否為空
  @Override
  public boolean isEmpty() {
    return front == tail;
  }

  //隊(duì)列中元素個(gè)數(shù)
  @Override
  public int getSize() {
    return size;
  }

  //入隊(duì)列操作
  @Override
  public void enqueue(E e) {
    if ((tail + 1) % data.length == front) {//隊(duì)列已滿，需要擴(kuò)容
      resize(getCapacity() * 2);
    }
    data[tail] = e;
    tail = (tail + 1) % data.length;
    size++;
  }

  //出隊(duì)操作

  @Override
  public E dequeue() {
    if (isEmpty()) {
      throw new IllegalArgumentException("隊(duì)列為空");
    }

    E ret = data[front];
    data[front] = null;//手動釋放
    front = (front + 1) % data.length;
    size--;
    if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) {
      resize(getCapacity() / 2);
    }
    return ret;
  }

  //獲取隊(duì)首元素
  @Override
  public E getFront() {
    if (isEmpty()) {
      throw new IllegalArgumentException("隊(duì)列為空");
    }
    return data[front];
  }

  //改變?nèi)萘?
  private void resize(int newCapacity) {
    E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity + 1];
    for (int i = 0; i < size; i++) {
      newData[i] = data[(front + i) % data.length];//循環(huán)數(shù)組防止越界
    }
    data = newData;
    front = 0;
    tail = size;
  }


  @Override
  public String toString() {
    StringBuilder res = new StringBuilder();
    res.append(String.format("Queue:size=%d, capacity=%d\n", size, getCapacity()));
    res.append("front [");
    for (int i = front; i != tail; i = (i + 1) % data.length) {
      res.append(data[i]);
      if ((i + 1) % data.length != tail) {
        res.append(",");
      }
    }
    res.append("] tail");
    return res.toString();
  }



}

在關(guān)于LoopQueue類中需要注意的：

（1）第11行中的+1是capacity需要浪費(fèi)一個(gè)空間，故在實(shí)例化是多加1

 data = (E[]) new Object[capacity + 1];//浪費(fèi)與一個(gè)空間

（2）地24行真正的容量是data.length-1，這是由于有一個(gè)空間是浪費(fèi)的。

data.length - 1;

（3）關(guān)于入隊(duì)中第46行tail值的說明

為了保證入隊(duì)是循環(huán)操作，tail值的變化規(guī)律為

 tail = (tail + 1) % data.length;

（4）關(guān)于82行的數(shù)據(jù)遷移操作，取余操作是為了防止循環(huán)數(shù)組時(shí)越界。

  newData[i] = data[(front + i) % data.length];//循環(huán)數(shù)組防止越界

#3直接在LoopQueue中添加一個(gè)main函數(shù)進(jìn)行測試，相關(guān)代碼如下：

  //測試用例
  public static void main(String[] args) {
    LoopQueue<Integer> queue = new LoopQueue<Integer>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      queue.enqueue(i);
      System.out.println(queue);

      if(i%3==2){//每添加3個(gè)元素出隊(duì)列一個(gè)
        queue.dequeue();
        System.out.println(queue);
      }

    }

  }

結(jié)果為：