Java数组队列及环形数组队列怎么实现

发布时间:2022-09-26 10:04:27 作者:iii
来源:亿速云 阅读:124

Java数组队列及环形数组队列怎么实现

1. 引言

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。

2. 数组队列的实现

2.1 数组队列的基本概念

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frontrear)来跟踪队列的头部和尾部。

2.2 数组队列的实现步骤

2.2.1 定义队列类

首先,我们需要定义一个队列类,该类包含以下成员变量:

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;
    }
}

2.2.2 实现入队操作

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++;
}

2.2.3 实现出队操作

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;
}

2.2.4 实现队列的其他操作

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;
}

2.3 数组队列的优缺点

2.3.1 优点

2.3.2 缺点

3. 环形数组队列的实现

3.1 环形数组队列的基本概念

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。

3.2 环形数组队列的实现步骤

3.2.1 定义队列类

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;
    }
}

3.2.2 实现入队操作

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++;
}

3.2.3 实现出队操作

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;
}

3.2.4 实现队列的其他操作

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;
}

3.3 环形数组队列的优缺点

3.3.1 优点

3.3.2 缺点

4. 数组队列与环形数组队列的比较

4.1 空间利用率

4.2 实现复杂度

4.3 适用场景

5. 动态数组队列的实现

5.1 动态数组队列的基本概念

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。

5.2 动态数组队列的实现步骤

5.2.1 定义队列类

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;
    }
}

5.2.2 实现入队操作

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++;
}

5.2.3 实现出队操作

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;
}

5.2.4 实现数组的动态扩展和缩小

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;
}

5.2.5 实现队列的其他操作

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;
}

5.3 动态数组队列的优缺点

5.3.1 优点

5.3.2 缺点

6. 总结

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。

推荐阅读:
  1. 05-环形队列
  2. golang使用数组模拟环形队列(demo)

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