數據結構--數組隊列&循環隊列

1. 概述

1. 隊列：是“先進先出”的數據結構，從隊尾入隊，從隊頭出隊。
2. 隊列中使用的Array，參考“數據結構–手寫動態數組”。

2. 數組隊列源碼

public interface Queue<T> {

    int getSize();

    boolean isEmpty();

    void enqueue(T element);

    T dequeue();

    T getFront();
}


public class ArrayQueue<T> implements Queue<T> {

    private Array<T> array;

    public ArrayQueue() {
        array = new Array<>();
    }

    public ArrayQueue(int capacity) {
        array = new Array<>(capacity);
    }

    @Override
    public int getSize() {
        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return array.isEmpty();
    }

    public int getCapacity() {
        return array.getCapacity();
    }

    @Override
    public void enqueue(T element) {
        array.addLast(element);
    }

    @Override
    public T dequeue() {
        return array.removeFirst();
    }

    @Override
    public T getFront() {
        return array.getFirst();
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder result = new StringBuilder();
        result.append(String.format("Queue's size: %d, capacity: %d\n", getSize(), getCapacity()));
        result.append("Head[");
        int size = getSize();
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            result.append(array.get(i));
            if (i != size -1) {
                result.append(", ");
            }
        }

        result.append("]Tail");
        return result.toString();
    }
}

3. 循環隊列分析及源碼

1. 概述

   1. 目的：使用數組隊列，對於出隊操作，是O(n)的時間複雜度，當數據量過大的時候，性能較低。
   2. 基礎知識：
      1. 出隊時，不再移動元素；而是，使用front和tail來標識，隊列的頭部和尾部所在位置。
      2. front == tail時，代表隊列爲空。
      3. (tail + 1) % C == front時，代表隊列滿。 C 代表總Capacity。

2. 源碼

/**
 * 規則:
 * 1. tail == front, 隊列爲空.
 * 2. (tail + 1) % c == front, 隊列爲滿.
 *
 * @param <T>
 */
public class LoopQueue<T> implements Queue<T> {
    private T[] data;

    private int front, tail;

    private int size;

    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

    public LoopQueue() {
        this(DEFAULT_CAPACITY);
    }

    public LoopQueue(int capacity) {
        // capacity + 1: 因爲tail所在的位置不能存儲數據, 需要浪費一個空間.
        data = (T[]) new Object[capacity + 1];
        front = 0;
        tail = 0;
        size = 0;
    }

    public int getCapacity() {
        // 因爲tail所在的位置不能存儲數據, 需要浪費一個空間.
        return data.length - 1;
    }

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

    @Override
    public boolean isEmpty() {
        return front == tail;
    }

    @Override
    public void enqueue(T element) {
        if ((tail + 1) % data.length == front) { // 數組已滿, 進行擴容.
            resize(2 * getCapacity());
        }

        data[tail] = element;
        tail = (tail + 1) % data.length;
        size++;
    }

    @Override
    public T dequeue() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("LoopQueue is empty!");
        }

        T oldElement = data[front];
        data[front] = null;
        front = (front + 1) % data.length;
        size--;

        if (size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0) { // 數組元素較少, 進行縮容.
            resize(getCapacity() / 2);
        }

        return oldElement;
    }

    @Override
    public T getFront() {
        if (isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("LoopQueue is empty!");
        }

        return data[front];
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder result = new StringBuilder();
        result.append(String.format("LoopQueue's size: %d, capacity: %d\n", getSize(), getCapacity()));
        result.append("Front[");
        for (int i = front; i != tail; i = (i + 1) % data.length) {
            result.append(data[i]);
            if ((i + 1) % data.length != tail) {
                result.append(", ");
            }
        }

        result.append("]Tail");
        return result.toString();
    }

    private void resize(int newCapacity) {
        T[] newData = (T[]) new Object[newCapacity + 1];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            // 因爲data是循環數組, 保證data下標不會越界
            newData[i] = data[((i + front) % data.length)];
        }

        data = newData;
        front = 0;
        tail = size;
    }
}