UGC NET CS 2015 年 6 月 – III |问题 63

这个问题是关于计算机科学领域中数据结构的知识。对于一个程序员来说，数据结构是非常重要的一门基础课程。下面将介绍本题涉及到的知识点以及提供代码实现。

知识点

队列

队列是一种数据结构，它采用 先进先出(FIFO)的方式来管理元素。队列提供了两个操作：添加一个元素到队列的末尾(Enqueue)，和从队列的前端移除一个元素(Dequeue)。

循环队列

循环队列是队列的一种变体。它可以允许队首和队尾的元素紧密相连，形成一个环状结构。因此，当队列满时，可以从队列头部删除一些元素，从而为新的元素提供空间。循环队列通常实现为一个环形数组。

代码实现

以下代码使用Java语言实现了一个循环队列。它支持Enqueue和Dequeue操作，并使用数组作为底层存储结构。在Enqueue操作中，当队列满时，会扩展队列的容量。在Dequeue操作中，当队列的元素数量小于其总容量的四分之一时，会自动缩小队列。

public class CircularQueue<T> {

  private static final int DEFAULT_CAPACITY = 16;

  private int head;
  private int tail;
  private int size;
  private T[] array;

  public CircularQueue() {
    this(DEFAULT_CAPACITY);
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  public CircularQueue(int capacity) {
    this.array = (T[])(new Object[capacity]);
    this.head = 0;
    this.tail = 0;
    this.size = 0;
  }

  public int size() {
    return size;
  }

  public boolean isEmpty() {
    return size == 0;
  }

  public void enqueue(T element) {
    if (size == array.length) {
      expandCapacity();
    }
    array[tail] = element;
    tail = (tail + 1) % array.length;
    size++;
  }

  public T dequeue() {
    if (isEmpty()) {
      throw new IllegalStateException("Queue is empty");
    }
    T element = array[head];
    head = (head + 1) % array.length;
    size--;
    if (size < array.length / 4) {
      shrinkCapacity();
    }
    return element;
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  private void expandCapacity() {
    T[] newArray = (T[])(new Object[array.length * 2]);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        newArray[i] = array[(head + i) % array.length];
    }
    array = newArray;
    head = 0;
    tail = size;
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  private void shrinkCapacity() {
    T[] newArray = (T[])(new Object[array.length / 2]);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        newArray[i] = array[(head + i) % array.length];
    }
    array = newArray;
    head = 0;
    tail = size;
  }
}

上述代码实现了一个CircularQueue类，它可以被实例化用于创建循环队列。例如，以下代码将创建一个长度为16的新队列：

CircularQueue<Integer> queue = new CircularQueue<Integer>();

要将一个元素添加到队列中，使用Enqueue操作：

queue.enqueue(42);

要从队列中删除一个元素，使用Dequeue操作：

int element = queue.dequeue();

该操作将返回队列中的下一个元素，并将其从队列中删除。