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算法与数据结构之基于数组实现的数组队列和循环队列Java版

程序员文章站 2022-05-04 12:35:50
...

操作

public interface Queue<E> {
	void enqueue(E e);
	E dequeue();
	E getFront();
	int getSize();
	boolean isEmpty();
}

数组队列

复杂度分析

算法与数据结构之基于数组实现的数组队列和循环队列Java版
可以看到出队的时间复杂度为O(n), 因为我们出队的时候,是将第一个元素出队,此后,后面的所有元素都需要向前移动一个位置, 用循环队列可以解决该问题

源码实现

该队列的实现支持扩容和缩容,以下源码中数组Array是引用:
算法与数据结构之动态数组的实现Java版

为了代码结构上的完整性,在上述数组的基础上,添加了两个方法

//获取最后一个位置的元素
	public E getLast() {
		return get(size - 1); //注意这里为什么不写成return data[size - 1],因为这样写缺少对数组下标的判断
	}
	
	//获取第一个位置的元素
	public E getFirst() {
		return get(0);
	}

源码实现

public class ArrayQueue<E> implements Queue<E> {
	private Array<E> array;
	
	public ArrayQueue(int capacity) {
		array = new Array<>(capacity);
	}
	
	public ArrayQueue() {
		array = new Array<>();
	}
	
	@Override
	public void enqueue(E e) {
		array.addLast(e);
	}

	@Override
	public E dequeue() {
		return array.removeFist();
	}

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

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

	@Override
	public boolean isEmpty() {
		return array.isEmpty();
	}
	
	public int getCapacity() {
		return array.getCapacity();
	}
	
	@Override
	public String toString() {
		StringBuilder res = new StringBuilder();
		res.append("Queue: ");
		res.append("front [");
		for(int i = 0; i < array.getSize(); i++) {
			res.append(array.get(i));
			if (i != array.getSize() - 1) {
				res.append(", ");
			}
		}
		res.append("] tail");
		return res.toString();
	}
	
}

循环队列

复杂度分析

算法与数据结构之基于数组实现的数组队列和循环队列Java版
循环队列采用了两个变量,一个指向队头,另一个指向队尾的下一个元素,如果需要出队的时候,直接用指向队头的变量,取出队头元素,由于也是涉及到数组的扩容和缩容问题,所以均摊时间复杂度为O(1)

源码实现

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];
        front = 0;
        tail = 0;
        size = 0;
    }

    public LoopQueue(){
        this(10);
    }

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

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

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

    @Override
    public void enqueue(E e){

        if((tail + 1) % data.length == front)
            resize(getCapacity() * 2);

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

    @Override
    public E dequeue(){

        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Cannot dequeue from an empty queue.");

        E ret = data[front];
        data[front] = null;
        front = (front + 1) % data.length;
        size --;
        if(size == getCapacity() / 4 && getCapacity() / 2 != 0)
            resize(getCapacity() / 2);
        return ret;
    }

    @Override
    public E getFront(){
        if(isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException("Queue is empty.");
        return data[front];
    }

    private void resize(int newCapacity){

        E[] newData = (E[])new Object[newCapacity + 1];
        for(int i = 0 ; i < size ; i ++)
            newData[i] = data[(i + front) % data.length];

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

    @Override
    public String toString(){

        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append(String.format("Queue: size = %d , capacity = %d\n", size, getCapacity()));
        res.append("front [");
        for(int i = front ; i != tail ; i = (i + 1) % data.length){
            res.append(data[i]);
            if((i + 1) % data.length != tail)
                res.append(", ");
        }
        res.append("] tail");
        return res.toString();
    }

    public static void main(String[] args){

        LoopQueue<Integer> queue = new LoopQueue<>();
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i ++){
            queue.enqueue(i);
            System.out.println(queue);

            if(i % 3 == 2){
                queue.dequeue();
                System.out.println(queue);
            }
        }
    }
}