【Java】 大话数据结构(7) 循环队列和链队列

本文根据《大话数据结构》一书，实现了Java版的循环队列、链队列。

队列：只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.循环队列

　　队列的顺序储存结构：用数组存储队列，引入front指针指向队头元素，rear指针指向队尾元素的下一个位置，当front=rear时，为空队列，结构如下图所示。

　

　　当执行入队操作时，若数组尾部已满，而数组前部因有元素出队而有空位时，我们把新插入的元素从头开始入队，这样就类似于头尾相接的结构。

　　队列的这种头尾相接的顺序存储结构称为循环队列，如下图所示。

　　上面队列的定义中提到，当front=rear时，为空队列，而在循环队列中，队列满时，front也等于rear，将无法判断队满和空的情况。

　　　　一种办法是设置一个标志变量flag，当front=rear时，通过判断flag是0还是1来确定队列满空情况；

　　　　另一种方法是，在数组中只剩一个空闲单位时，定义为队列满，如下图所示。（本文程序采用这种办法）

　　因为rear可能比front大，也可能比front小，所以队列满的条件应该为：(rear+1)%maxSize==front；同理，队列长度的计算公式为：(rear-front+maxSize)%maxSize。

　　实现程序：

/**
 * <循环队列>
 *
 * 注意点：表长的表示、队列满的判断、front和rear的改变
 *
 * @author Lai
 *
 */
public class SqQueue<E> {
	private E[] data;
	private int front;
	private int rear;
	private int maxSize;
	private static final int DEFAULT_SIZE= 10;

	/*
	 * 初始化
	 */
	public SqQueue(){
		this(DEFAULT_SIZE);
	}
	public SqQueue(int maxSize){
		data=(E[]) new Object[maxSize];
		this.maxSize=maxSize;
		front=0;
		rear=0;
	}

	/*
	 * 求循环队列长度
	 */
	public int getLength() {
		return (rear-front+maxSize)%maxSize;
	}

	/*
	 * 入队操作
	 */
	public void enQueue(E e) {
		if((rear+1)%maxSize==front)
			throw new RuntimeException("队列已满，无法入队！");
		data[rear]=e;
		rear=(rear+1)%maxSize;
		//不是rear=rear+1，当rear在数组尾部时，后移一位会转到数组头部
	}

	/*
	 * 出队操作
	 */
	public E deQueue() {
		if(rear==front)
			throw new RuntimeException("队列为空！");
		E e=data[front];
		front=(front+1)%maxSize;
		//不是front++，理由同rear
		return e;
	}

	/*
	 * 打印操作
	 */
	public void printQueue() {
		int k=front;
		for(int i=0;i<getLength();i++) {
			System.out.print(data[k]+" ");
			k=(k+1)%maxSize;
		}
		System.out.println();
	}

	/*
	 * 测试代码
	 */
	public static void main(String[] args) {
		SqQueue<String> aQueue=new SqQueue<>(5);
		aQueue.enQueue("a");
		aQueue.enQueue("b");
		aQueue.enQueue("c");
		aQueue.enQueue("d");
		aQueue.printQueue();
		System.out.println("-----");
		aQueue.getLength();
		aQueue.deQueue();
		aQueue.deQueue();
		aQueue.enQueue("e");
		aQueue.printQueue();
	}

}

　　

a b c d
-----
c d e 

SqQueue

2.队列的链式存储结构

　　用单链表存储队列，称为链队列。

　　定义front指针指向头结点，rear指针指向终端结点，空队列时，front和rear都指向头结点。

　　　　

　　实现程序：

/**
 * 链队列
 *
 * 注意点：出队操作时，若队头是队尾（即队中仅有一个结点），则删除后要将rear指向头结点。
 *
 * @author Yongh
 *
 * @param <E>
 */
public class LinkQueue<E> {
	private QNode front,rear;
	private int count;

	class QNode{
		E data;
		QNode next;
		public QNode(E data,QNode next) {
			this.data=data;
			this.next=next;
		}
	}

	public LinkQueue() {
		front=new QNode(null, null);
		rear=front;
		count=0;
	}

	/*
	 * 入队操作
	 */
	public void enQueue(E e) {
		QNode node=new QNode(e, null);
		rear.next=node;
		rear=node;
		count++;
	}

	/*
	 * 出队操作
	 */
	public E deQueue() {
		if(rear==front)
			throw new RuntimeException("队列为空！");
		QNode node=front.next;
		E e=node.data;
		front.next=node.next;
		//若队头是队尾，则删除后要将rear指向头结点。
		if(rear==node)
			rear=front;
		node=null;
		count--;
		//通过count来判断，可能更容易理解
		//if(count==0)
		//	rear=front;
		return e;
	}

	/*
	 * 获取队列长度
	 */
	public int getLength() {
		return count;
	}

	/*
	 * 打印输出队列
	 */
	public void printQueue() {
		if(count==0) {
			System.out.println("空队列");
		}else {
			QNode node=front;
			for(int i=0;i<count;i++) {
				node=node.next;
				System.out.print(node.data+" ");
			}
			System.out.println();
		}
	}

	/*
	 * 测试代码
	 */
	public static void main(String[] args) {
		LinkQueue<String> lQueue =new LinkQueue<>();
		lQueue.printQueue();
		lQueue.enQueue("A");
		lQueue.enQueue("B");
		lQueue.enQueue("c");
		lQueue.enQueue("D");
		lQueue.printQueue();
	
		lQueue.deQueue();
		lQueue.deQueue();
		lQueue.enQueue("E");
		lQueue.printQueue();
	}
}

　　

空队列
A B c D
c D E 

LinkQueue

3.循环队列和链队列的选择

　　基本操作时间都为O(1)。但链队列每次申请和释放结点会存在一点时间开销，且其需要存储一个指针域；而循环队列必须固定空间长度，存在空间浪费问题，且没链队列灵活。

　　综上，在可以确定队列长度最大值的情况下，建议用循环队列；当无法预估队列的长度时，使用链队列。