队列的理解和实现(一) ----- 循环队列(java实现)

什么是队列

我们都知道栈是先进后出的一种线性表，与之相反的是，队列是一种先进先出的线性表。它只允许在表的一端进行插入，而在另一端进行删除。举个例子来说，在生活中我们买东西需要进行排队，最先排队的可以最早的离开队伍，而排在最后面的需要最后离开队伍。在队列当中，允许插入的一端称为队尾，而允许删除的一段称为队头。和栈与线性表类似，队列也分为顺序队列和链队列。

普通队列所存在的问题

在使用数组实现的队列中，入队的操作就是将尾指针rear右移一个单位（加一），然后将元素值赋值给rear单位。出队时，则是头指针front后移一个单位（加一）。当进行了一定数量的入队和出队操作后，可能会出现这样的情况：

尾指针rear已指到数组的最后有一个元素，即rear=maxSize-1，此时若再数组的前面部分可能还有很多闲置空间，即这种溢出并非是真的没有可用的存储空间，故称这种溢出现象为“假溢出”。显然，必须要解决这一块假溢出的问题，否则顺序队列就没有太多使用价值。

解决假溢出一般情况下有两个方式:

１．在普通队列中设置元素实际个数变量size,在每次入队或者出队时将size和maxSize进行比较，从而避免假溢出。使用这种方式未免有些繁琐。

２．使用循环队列，将队列掰弯，也就是将队列看成环状结构，即data[0]为紧接着data[MaxLen-1]的单元，为相邻的元素，首位成为一个环，如下所示：

 理解循环队列

首先要确认的是，循环队列仍然是基于数组实现的，使用一组地址连续的存储单元依次存放从队头到队尾的元素，且仍然设置两个指针front，rear。注意的是，其实这两个指针是整数型的，起得是知识的作用便于理解，所以称之为指针。这两个指针，一个指着队头，一个指着队尾。

这两个指针可以看做动态的过程，即这两个指针其实是互相追赶的。在追赶中就是队列中元素添加和删除的过程。当rear追到front时就表示队列已经满了，当front追上rear时就表示队列已经空了。

循环队列的实现过程

一般情况下，会少用一个元素空间，即队列空间大小为m时，有m-1个元素就认为是队满。这样当头尾指针的值相同时，则认为对空；当尾指针在循环意义上加1后是等于头指针，则认为队满。

当添加一个元素时,(queue.rear + 1) % maxSize;

当删除一个元素时,(queue.front + 1) % maxSize；

队空的条件：queue.front == queue.rear    //当队列添加元素到rear的下一个元素是队头的时候，也就是转圈子要碰头了，我们就认为队列满了。

队满的条件：(queue.rear + 1) % maxSize == queue.front    //当队列删除元素到head=rear的时候，我们认为队列空了。

循环队列的代码实现

package 循环队列;

public class LoopQueue {

	int front;
	int rear;
	int maxSize;
	Object queueList[];

	//初始化队列
	public LoopQueue() {
		maxSize = 1024;
		queueList = new Object[maxSize];
		rear = 0;
		front = 0;
	}

	//初始化队列
	public LoopQueue(int maxSize) {
		this.maxSize = maxSize;
		queueList = new Object[maxSize];
		rear = 0;
		front = 0;
	}
	//判断队列是否为空
	public boolean isEmpty() {
		return this.front == this.rear ? true : false;
	}

	//判断队列是否已满
	public boolean isFull() {
		return ((rear + 1) % this.maxSize) == this.front ? true : false;
	}

	//取循环队列的对头元素
	public Object getFront() {
		if(isEmpty() == false) return queueList[this.front];
		else {
			System.out.println("ERROR:Queue is Empty");
			return "";
		}
	}

	//入队
	public void enQueue(Object e) {
		if(isFull() == false) {
			this.queueList[this.rear] = e;
			this.rear = (this.rear + 1) % this.maxSize;
		}
		else System.out.println("ERROR::Queue is Full");
	}

	//出队
	public void deQueue() {
		if(isEmpty() == false) {
			this.front = (this.front + 1) % this.maxSize;
		}
		else System.out.println("ERROR::Queue is empty");
	}

	//获取队列长度
	public int QueueLength() {
		return (this.rear - this.front + this.maxSize) % this.maxSize;
	}

	public static void main(String[] args) {
		LoopQueue q = new LoopQueue();
		System.out.println("队列是否为空：" + q.isEmpty());
		System.out.println("队列是否为满：" + q.isFull());
		System.out.println("队列长度:" + q.QueueLength());
		q.enQueue(5);
		q.enQueue(4);
		q.enQueue(3);
		q.enQueue(2);
		q.enQueue(1);
		System.out.println("队列长度:" + q.QueueLength());
		q.deQueue();
		System.out.println("队列是否为空：" + q.isEmpty());
		System.out.println("对头元素:" + q.getFront());
		System.out.println("队列长度:" + q.QueueLength());
	} 

}