算法03_隊列

隊列

隊列介紹

隊列是一個有序列表，可以使用數組或者鏈表來實現

遵循先入先出的原則（先存入隊列的數據，要先取出。後存入的要後取出）

樣例圖（使用數組模型示意圖）

隊列本身是有序列表，如上面的圖之中maxSize是該隊列的最大容量，開頭，結尾分別記錄隊列前後端的下標（類似索引），開頭會隨着數據的輸出而改變，結尾則是隨着數據的輸入而改變。

小結：
: 1.隊列是有序隊列
: 2.開始初始化爲-1，表示隊列的頭，但是約定不包含頭元素，即指向隊列的第一個元素的前一個位置
: 3.結尾初始化爲-1，表示隊列的尾，但是包含最後這個元素，即指向隊列尾部
: 4.判斷隊列空，開始 == 結尾 表示空
: 5.判斷隊列滿，結尾 == maxSize-1

向隊列加入數據的時候會有兩個步驟

1 將結尾向後移：結尾+1（這個過程要先判斷開始結尾是否相等，如果相等隊列爲空）
2 判斷結尾跟maxSize-1：如果結尾小於maxSize-1，則將數據放入到結尾所指向的數組元素中；否則數據無法存入，即結尾 == maxSize（隊列滿了，已達到最大值）

代碼（沒優化前）

import scala.io.StdIn

object test01 {
  def main(args: Array[String]): Unit = {

    val queue = new addDateDemo(3)
    // 菜單演示
    var key = ""
    while (true) {
      println()
      println("請選擇菜單")
      println("show : 顯示隊列")
      println("add  : 添加數據")
      println("get  : 獲取數據")
      println("peek（偷看）: 查看頭元素值")
      println("exit : 退出程序")
      key = StdIn.readLine()
      key match {
        case "show" => queue.show()
        case "add" =>
          println("請輸入一個數")
          val num: Int = StdIn.readInt()
          queue.addDate(num)
        case "get" =>
          // 獲取返回值
          val res: Any = queue.getDates()
          // 判斷返回值是否爲空
          if (res.isInstanceOf[Exception]){
            println(res.asInstanceOf[Exception].getMessage)
          }else{
            // 查看隊列元素信息
            printf("隊列取出的值=%d",res)
          }
        case "peek" =>
          // 獲取返回值
          val res: Any = queue.peek()
          // 判斷返回值是否爲空
          if (res.isInstanceOf[Exception]){
            println(res.asInstanceOf[Exception].getMessage)
          }else{
            // 查看頭元素
            printf("隊列當前頭元素的值=%d",res)
          }

      }


    }
  }
}

// 編寫一個數據結構的基本思路  創建-遍歷（查看）-修改-刪除
class addDateDemo(arrMaxSize: Int) {
  // 指定隊列大小
  val maxSize = arrMaxSize
  // 隊列中數據，存放在數組，即數組模擬隊列
  val arr = new Array[Int](maxSize)
  // 初始化開始
  var start = -1
  // 初始化結尾
  var end = -1


  // 判斷隊列是否滿了
  def isFull(): Boolean = {
    end == maxSize - 1
  }

  // 判斷隊列是否爲空
  def isEmpty(): Boolean = {
    start == end
  }

  // 查看隊列的頭元素，但是不取出
  def peek(): Any ={
    if (isEmpty()) {
      return new Exception("隊列爲空，什麼都沒有")
    }
    return arr(start+1) // start不進行+=1
  }

  // 相隊列中添加數據 num
  def addDate(num: Int): Unit = {
    // 如果已經滿了就不能添加進去了
    if (isFull()) {
      println("隊列已滿，無法加入")
      return
    }
    // 隊列沒滿 ，將end後移
    end += 1
    arr(end) = num
  }

  // 遍歷（顯示）
  def show(): Unit = {
    // 先判斷隊列是否爲空
    if (isEmpty()) {
      println("什麼都沒有")
      println()
      return
    }
    // 如果不爲空，遍歷打印結果
    println("隊列數據：")
    for (i <- start + 1 to end) {
      printf("arr(%d)=%d \t", i, arr(i))
    }
    println()
  }

  // 從隊列中取數據， 可能取到數據，可能取不到數據
  def getDates(): Any = {
    if (isEmpty()) {
      return new Exception("隊列爲空，沒有數據")
    }
    // 將start後移
    // 取數據不是把數據刪了，而是不讓我們訪問到了
    // 又因爲隊列前進先出，數據必須從第一個元素（也就是start）開始取，所以+1就不會再看到之前的數據
    start += 1
    return arr(start)
  }


}

效果圖：

數組模擬環形隊列

對前面的數組模擬隊列的優化，充分利用數組。因此將數組看做是一個環形的。（通過取模的方式來實現即可）

1.將start初始化爲0，start指向隊列的第一個元素

2.將end初始化爲0，end指向的是隊列的最後一個元素的後一個位置

3.通過%將隊列當做環形，判斷隊列是否爲空通過 start == end

4.判斷隊列元素滿的條件是（end+1）%maxSize=start， +1的原因的預留了一個空間作爲約定

代碼（優化後）

import scala.io.StdIn

object test02 {
  def main(args: Array[String]): Unit = {

    val queue = new addDateDemo2(4)
    // 菜單演示
    var key = ""
    while (true) {
      println()
      println("請選擇菜單")
      println("show : 顯示隊列")
      println("add  : 添加數據")
      println("get  : 獲取數據")
      println("peek（偷看）: 查看頭元素值")
      println("exit : 退出程序")
      key = StdIn.readLine()
      key match {
        case "show" => queue.show()
        case "add" =>
          println("請輸入一個數")
          val num: Int = StdIn.readInt()
          queue.addDate(num)
        case "get" =>
          // 獲取返回值
          val res: Any = queue.getDates()
          // 判斷返回值是否爲空
          if (res.isInstanceOf[Exception]) {
            println(res.asInstanceOf[Exception].getMessage)
          } else {
            // 查看隊列元素信息
            printf("隊列取出的值=%d", res)
          }
        case "peek" =>
          // 獲取返回值
          val res: Any = queue.peek()
          // 判斷返回值是否爲空
          if (res.isInstanceOf[Exception]) {
            println(res.asInstanceOf[Exception].getMessage)
          } else {
            // 查看頭元素
            printf("隊列當前頭元素的值=%d", res)
          }

      }


    }
  }
}

// 編寫一個數據結構的基本思路  創建-遍歷（查看）-修改-刪除
class addDateDemo2(arrMaxSize: Int) {
  // 指定隊列大小
  val maxSize = arrMaxSize
  // 隊列中數據，存放在數組，即數組模擬隊列
  val arr = new Array[Int](maxSize)
  // 初始化開始
  var start = 0
  // 初始化結尾
  var end = 0


  // 判斷隊列是否滿了
  def isFull(): Boolean = {
    (end + 1) % maxSize == start
  }

  // 判斷隊列是否爲空
  def isEmpty(): Boolean = {
    start == end
  }

  // 查看隊列的頭元素，但是不取出
  def peek(): Any = {
    if (isEmpty()) {
      return new Exception("隊列爲空，什麼都沒有")
    }
    return arr(start) // start不進行+=1
  }

  // 相隊列中添加數據 num
  def addDate(num: Int): Unit = {
    // 如果已經滿了就不能添加進去了
    if (isFull()) {
      println("隊列已滿，無法加入")
      return
    }
    arr(end) = num
    // 隊列沒滿 ，將end後移
    end = (end + 1) % maxSize
  }


  // 從隊列中取數據， 可能取到數據，可能取不到數據
  def getDates(): Any = {
    if (isEmpty()) {
      return new Exception("隊列爲空，沒有數據")
    }
    // 因爲start指向隊列的第一個元素
    // 先將數據保存到臨時變量中
    val res: Int = arr(start)
    // start 後移
    start = (start + 1) % maxSize
    return res
  }


  // 遍歷（顯示）
  // 從start開始打印，打印多少個元素就可以了,所以需要統計出該隊列有多少個有效元素
  def show(): Unit = {
    // 先判斷隊列是否爲空
    if (isEmpty()) {
      println("什麼都沒有")
      println()
      return
    }

    // 使用取模的方式
    // 如果不爲空，遍歷打印結果
    println("隊列數據：")
    for (elem <- start until start + size()) {
      printf("arr(%d)=%d \t", (elem % maxSize), arr(elem % maxSize))
    }
  }

  // 編寫一個方法，統計當前有多少個元素
  def size(): Int = {
    return (end + maxSize - start) % maxSize
  }

}

效果圖：