java實作循環隊列

循環佇列的優點

普通隊列出隊操作開銷大：在出隊操作時，索引為0後面的所有元素，都需要往前移動一位，元素越多，消耗的時間也越多，時間複雜度為O(N)。

循環隊列的邏輯：

1、當元素較少時（tail位置在front後面），循環隊列與普通隊列出隊操作一樣，入隊的元素將會放在tail的位置上，隨後執行tail 操作；出隊時front位置上的元素將會置null，隨後執行front 操作；此時仍能保持著tail位置在front後面的狀態，如下圖中所示：

2、當元素繼續添加，最後一個元素將放到索引為7的位置，此時tail位置將會移動到隊首前面索引為0的位置上，此時tail在陣列的索引為變為：(tail 1 )% capacity如下圖所示：

##3、當元素繼續加入時，元素將會在tail位置上添加，tail繼續往後移動，如下圖所示：

4、繼續添加元素，當tail與front還相距一個單位時，即此時數組還有一個空餘存儲空間，但當前數組已經不能繼續實現循環隊列的插入操作了，因為循環隊列判斷隊列為空的條件就是front == tail，所以此時需要進行擴容操作；因此此處有意識的浪費了一個空間。

此處可以推出，循環隊列元素滿的條件為：tail 1 == front(初步得出，後續會完善為(tail 1) % capacity == front )

5 、適當情況下，此若時持續進行出隊操作，front的位置也會從陣列最右端跳到陣列最左端開始。此時front在陣列的索引為變成：(front 1 )% capacity

程式碼實作：（相關影片教學分享：java影片教學）

package dataStructure.chapter3;

/**
 * @Author: zjtMeng
 * @Date: 2019/12/28 20:13
 * @Version 1.0
 */
public class LoopQueue<E> implements Queue<E> {

    private E[] data;
    private int front,tail;
    private int size;

    public LoopQueue(int capacity){
        data = (E[]) new Object[capacity+1];
    }

    public LoopQueue(){
        this(10);
    }

    public int getCapacity(){
        return data.length-1;
    }

    /**
     * 循环队列入队操作
     * @param e
     */
    @Override
    public void enqueue(E e) {
        //循环队列元素满的判断条件,如果满了就进行扩容操作，扩大两倍
        if ((tail+1)%data.length == front)
            resize(2 * getCapacity());
        data[tail] = e;
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size ++;

    }

    /**
     * 循环队列扩容
     * @param newCapacity
     */
    private void resize(int newCapacity){
        E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity+1];
        //循环队列第一种遍历方式
        for (int i = 0 ; i < size ; i++ ){
//newData[]中的元素与data[]中的元素，一方面存在着front的偏移量，另一方面，data[]中的元素，
//可能在有部分处于front前面，因此此处采用对数组长度取余，来判断元素的位置
            newData[i] = data[(i+front)%data.length];
        }
        data = newData;
        front =0;
        tail = size;

    }

    @Override
    public E dequeue() {
        //首先判断队列是否为空，如果为空则抛出异常
        if (isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");
        E ret = data[front];
        //引用地址需要置空，否则JVM不能及时回收空间，从而可能会出现OOM异常
        data[front] = null;
        front = (front + 1 )% data.length;
        size--;
        //如果元素数量达到队列容积的1/4，且队列容积/2 不等于0时，进行缩容操作
        if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0 )
            resize(getCapacity() / 2);
        return ret;
    }

    /**
     * 查看队首元素
     * @return
     */
    @Override
    public E getFront() {
        if (isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
        return data[front];
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return size;
    }

    /**
     * 判断循队列是否为空
     * @return
     */
    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }

    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Queue: size = %d, capacity = %d\n",size, getCapacity()));
        res.append("front[");
        //循环队列遍历的第二种方法
        for (int i = front; i != tail; i = (i + 1) % data.length){
            res.append(data[i]);
            //循环队列未遍历到队尾的标志
            if ((i + 1) % data.length != tail)
                res.append(", ");
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();
    }
}

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