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队列(Queue)是一种常见的数据结构,它遵循先进先出(FIFO)的原则。队列在计算机科学中有着广泛的应用,例如任务调度、消息传递、缓冲区管理等。在Java中,队列可以通过多种方式实现,其中数组队列和环形数组队列是两种常见的实现方式。
本文将详细介绍如何使用Java实现数组队列和环形数组队列,并探讨它们的优缺点及适用场景。
数组队列是一种基于数组的队列实现方式。它使用一个固定大小的数组来存储队列中的元素,并通过两个指针(通常称为front
和rear
)来跟踪队列的头部和尾部。
首先,我们需要定义一个队列类,该类包含以下成员变量:
int[] arr
:用于存储队列元素的数组。int front
:指向队列头部的指针。int rear
:指向队列尾部的指针。int size
:队列的当前大小。int capacity
:队列的最大容量。public class ArrayQueue {
private int[] arr;
private int front;
private int rear;
private int size;
private int capacity;
public ArrayQueue(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.arr = new int[capacity];
this.front = 0;
this.rear = -1;
this.size = 0;
}
}
入队操作(enqueue
)将元素添加到队列的尾部。如果队列已满,则抛出异常或返回错误。
public void enqueue(int item) {
if (isFull()) {
throw new IllegalStateException("Queue is full");
}
rear = (rear + 1) % capacity;
arr[rear] = item;
size++;
}
出队操作(dequeue
)从队列的头部移除并返回元素。如果队列为空,则抛出异常或返回错误。
public int dequeue() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalStateException("Queue is empty");
}
int item = arr[front];
front = (front + 1) % capacity;
size--;
return item;
}
我们还需要实现一些辅助方法,例如判断队列是否为空、是否已满、获取队列的大小等。
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
public boolean isFull() {
return size == capacity;
}
public int size() {
return size;
}
环形数组队列是对数组队列的一种改进,它通过将数组视为一个环形结构来解决数组队列的空间浪费问题。在环形数组队列中,当rear
指针到达数组的末尾时,它会绕回到数组的开头,从而充分利用数组的空间。
环形数组队列的类定义与数组队列类似,但需要额外处理rear
指针的环绕。
public class CircularArrayQueue {
private int[] arr;
private int front;
private int rear;
private int size;
private int capacity;
public CircularArrayQueue(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.arr = new int[capacity];
this.front = 0;
this.rear = -1;
this.size = 0;
}
}
在环形数组队列中,入队操作需要考虑rear
指针的环绕。
public void enqueue(int item) {
if (isFull()) {
throw new IllegalStateException("Queue is full");
}
rear = (rear + 1) % capacity;
arr[rear] = item;
size++;
}
出队操作同样需要考虑front
指针的环绕。
public int dequeue() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalStateException("Queue is empty");
}
int item = arr[front];
front = (front + 1) % capacity;
size--;
return item;
}
环形数组队列的其他操作与数组队列类似。
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
public boolean isFull() {
return size == capacity;
}
public int size() {
return size;
}
动态数组队列是一种基于动态数组的队列实现方式。它可以根据需要动态扩展或缩小数组的大小,从而避免了固定大小队列的空间浪费问题。
动态数组队列的类定义与数组队列类似,但需要额外处理数组的动态扩展和缩小。
public class DynamicArrayQueue {
private int[] arr;
private int front;
private int rear;
private int size;
private int capacity;
public DynamicArrayQueue(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.arr = new int[capacity];
this.front = 0;
this.rear = -1;
this.size = 0;
}
}
在动态数组队列中,入队操作需要考虑数组的动态扩展。
public void enqueue(int item) {
if (isFull()) {
resize(capacity * 2);
}
rear = (rear + 1) % capacity;
arr[rear] = item;
size++;
}
出队操作需要考虑数组的动态缩小。
public int dequeue() {
if (isEmpty()) {
throw new IllegalStateException("Queue is empty");
}
int item = arr[front];
front = (front + 1) % capacity;
size--;
if (size > 0 && size == capacity / 4) {
resize(capacity / 2);
}
return item;
}
动态数组队列的核心在于数组的动态扩展和缩小。
private void resize(int newCapacity) {
int[] newArr = new int[newCapacity];
for (int i = 0; i < size; i++) {
newArr[i] = arr[(front + i) % capacity];
}
arr = newArr;
front = 0;
rear = size - 1;
capacity = newCapacity;
}
动态数组队列的其他操作与数组队列类似。
public boolean isEmpty() {
return size == 0;
}
public boolean isFull() {
return size == capacity;
}
public int size() {
return size;
}
本文详细介绍了如何使用Java实现数组队列、环形数组队列和动态数组队列。每种实现方式都有其优缺点和适用场景:
在实际应用中,应根据具体需求选择合适的队列实现方式。
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