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面试官让手写队列,差点挂了

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bigsai
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发布于: 2 小时前
面试官让手写队列,差点挂了

前言

栈和队列是一对好兄弟,前面我们介绍过一篇栈的文章(栈,不就后进先出),栈的机制相对简单,后入先出,就像进入一个狭小的山洞,山洞只有一个出入口,只能后进先出(在外面的先出去,堵在里面先进去的就有点倒霉)。而队列就好比是一个隧道,后面的人跟着前面走,前面人先出去(先入先出)。日常的排队就是队列运转形式的一个描述!


栈是一种喜新厌旧的数据结构,来了新的就会处理新的把老的先停滞在这(我们找人、约人办事最讨厌这种人),队列就是大公无私的一种数据结构,排队先来先得,讲究顺序性,所以这种数据结构在程序设计、中间件等都非常广泛的应用,例如消息队列、FIFO 磁盘调度、二叉树层序遍历、BFS 宽度优先搜索等等。


队列的核心理念就是:先进先出!


队列的概念:队列是一种特殊的线性表,特殊之处在于它只允许在表的前端(front)进行删除操作,而在表的后端(rear)进行插入操作,和栈一样,队列是一种操作受限制的线性表。进行插入操作的端称为队尾,进行删除操作的端称为队头。


队列介绍

我们设计队列时候可以选择一个标准,这里就拿力扣622设计循环队列作为队列设计的标准。


队头 front:删除数据的一端。


队尾 rear: 插入数据的一端。


对于数组,从数组后面插入更容易,数组前面插入较困难,所以一般用数组实现的队列队头在数组前面,队尾在数组后面;而对于链表,插入删除在两头分别进行那么头部(前面)删除尾部插入最方便的选择。



实现方法:


  • MyCircularQueue(k): 构造器,设置队列长度为 k 。

  • Front: 从队首获取元素。如果队列为空,返回 -1 。

  • Rear: 获取队尾元素。如果队列为空,返回 -1 。

  • enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。

  • deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。

  • isEmpty(): 检查循环队列是否为空。

  • isFull(): 检查循环队列是否已满。

普通队列

按照上述的介绍,我们很容易知道数组实现的方式。用数组模拟表示队列。要考虑初始化,插入,问题。



在这个普通队列一些操作需要注意的有:


初始化:数组的 front 和 rear 都指向 0. (front 和 rear 下标相等的时候说明队列为空)


入队:队不满,数组不越界,先队尾位置传值,再队尾下标+1(队尾 rear 实际上超前一位,为了区分空队列情况)


出队:队不空,先取队头位置元素,在队头+1。


循环队列(数组实现)

针对上述的问题。有个较好的解决方法!就是对已经申请的(数组)内存重复利用。这就是我们所说的循环队列。循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里,一旦一个队列满了,我们就不能插入下一个元素,即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列,我们能使用这些空间去存储新的值。


数组实现的循环队列就是在逻辑上作修改。因为我们队列中只需要 front 和 rear 两个指针。rear 在逻辑上在后面,front 在逻辑上是在前面的,但实际上它们不一定谁在前谁在后,在计算距离的时候需要给 rear 先补上数组长度减去 front,然后求余即可。



初始化:数组的 front 和 rear 都指向 0. 这里需要注意的是:front 和 rear 位于同一个位置时候,证明队列里面是空的。还有在这里我具体实现时候将数组申请大了一个位置空出来,防止队列满的情况又造成 front 和 rear 在同一个位置。


入队:队不满,先队尾位置传值,再rear=(rear + 1) % maxsize;


出队:队不空,先取队头位置元素,front=(front + 1)% maxsize;


这里出队入队指标相加如果遇到最后需要转到头位置,这里直接+1 求余找到位置(相比判断是否在最后更加简洁),其中 maxsize 是数组实际大小。


是否为空return rear == front;


大小return (rear+maxsize-front)%maxsize; 这里很容易理解,一张图就能解释清楚,无论是 front 实际在前在后都能满足要求。



这里面有几个大家需要注意的,就是指标相加如果遇到最后需要转到头的话。可以判断是否到数组末尾位置。也可以直接+1 求余。其中 maxsize 是数组实际大小。


具体实现:


public class MyCircularQueue {    private int data[];// 数组容器    private int front;// 头    private int rear;// 尾    private int maxsize;// 最大长度    public MyCircularQueue(int k) {        data = new int[k+1];        front = 0;        rear = 0;        maxsize = k+1;    }
public boolean enQueue(int value) { if (isFull()) return false; else { data[rear] = value; rear=(rear + 1) % maxsize; } return true; }
public boolean deQueue() { if (isEmpty()) return false; else { front=(front+1)%maxsize; } return true; }
public int Front() { if(isEmpty()) return -1; return data[front]; }
public int Rear() { if(isEmpty()) return -1; return data[(rear-1+maxsize)%maxsize]; }
public boolean isEmpty() { return rear == front; }
public boolean isFull() { return (rear + 1) % maxsize == front; }}
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循环队列(链表实现)

对于链表实现的队列,要根据先进先出的规则考虑头和尾的位置


我们知道队列是先进先出的,对于链表,我们能采用单链表尽量采用单链表,能方便尽量方便,同时还要兼顾效率。使用链表大概有两个实现方案:


方案一 如果队列头设在链表尾,队列尾设在链表头。那么队尾进队插入在链表头部插入没问题,容易实现,但是如果队头删除在链表尾部进行,如果不设置尾指针要遍历到队尾,但是设置尾指针删除需要将它前驱节点需要双向链表,都挺麻烦的。


方案二如果队列头设在链表头,队列尾设在链表尾,那么队尾进队插入在链表尾部插入没问题(用尾指针可以直接指向 next),容易实现,如果队头删除在链表头部进行也很容易,就是我们前面常说的头节点删除节点


所以我们最终采取的是方案 2 的带头节点、带尾指针的单链表!


主要操作为:


初始化:设立一个头结点,是 front 和 rear 都先指向它。




是否为空return rear == front; 或者自定义维护 len 判断return len==0


大小:节点 front 遍历到 rear 的个数,或者自定义维护 len 直接返回(这里并没实现)。


实现代码:


public class MyCircularQueue{     class node {        int data;// 节点的结果        node next;// 下一个连接的节点        public node() {}        public node(int data) {            this.data = data;        }    }    node front;//相当于head 带头节点的    node rear;//相当于tail/end    int maxsize;//最大长度    int len=0;    public MyCircularQueue(int k) {        front=new node(0);        rear=front;        maxsize=k;        len=0;    }    public boolean enQueue(int value)  {        if (isFull())            return  false;        else {            node va=new node(value);            rear.next=va;            rear=va;            len++;        }        return  true;    }    public boolean deQueue() {        if (isEmpty())            return false;        else {            front.next=front.next.next;            len--;            //注意 如果被删完 需要将rear指向front            if(len==0)                rear=front;        }        return  true;    }
public int Front() { if(isEmpty()) return -1; return front.next.data; }
public int Rear() { if(isEmpty()) return -1; return rear.data; }
public boolean isEmpty() { return len==0; //return rear == front; }
public boolean isFull() { return len==maxsize; } }
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双向队列(加餐)

设计实现双端队列,其实你经常使用的 ArrayDeque 就是一个经典的双向队列,其基于数组实现,效率非常高。我们这里实现的双向队列模板基于力扣641 设计循环双端队列 。你的实现需要支持以下操作:


  • MyCircularDeque(k):构造函数,双端队列的大小为 k。

  • insertFront():将一个元素添加到双端队列头部。 如果操作成功返回 true。

  • insertLast():将一个元素添加到双端队列尾部。如果操作成功返回 true。

  • deleteFront():从双端队列头部删除一个元素。 如果操作成功返回 true。

  • deleteLast():从双端队列尾部删除一个元素。如果操作成功返回 true。

  • getFront():从双端队列头部获得一个元素。如果双端队列为空,返回 -1。

  • getRear():获得双端队列的最后一个元素。 如果双端队列为空,返回 -1。

  • isEmpty():检查双端队列是否为空。

  • isFull():检查双端队列是否满了。


其实有了上面的基础,实现一个双端队列非常容易,有很多操作和单端的循环队列是一致的,只有多了一个队头插入队尾删除的操作,两个操作分别简单的分析一下:


队头插入:队友 front 下标位置本身是有值的,所以要将 front 退后一位然后再赋值,不过要考虑是否为满或者数组越界情况。


队尾删除:只需要 rear 位置减 1,同时也要考虑是否为空和越界情况。


具体实现代码:


public class MyCircularDeque {    private int data[];// 数组容器    private int front;// 头    private int rear;// 尾    private int maxsize;// 最大长度    /*初始化 最大大小为k */    public MyCircularDeque(int k) {        data = new int[k+1];        front = 0;        rear = 0;        maxsize = k+1;    }
/** 头部插入 */ public boolean insertFront(int value) { if(isFull()) return false; else { front=(front+maxsize-1)%maxsize; data[front]=value; } return true; }
/** 尾部插入 */ public boolean insertLast(int value) { if(isFull()) return false; else{ data[rear]=value; rear=(rear+1)%maxsize; } return true; }
/** 正常头部删除 */ public boolean deleteFront() { if (isEmpty()) return false; else { front=(front+1)%maxsize; } return true; }
/** 尾部删除 */ public boolean deleteLast() { if(isEmpty()) return false; else { rear=(rear+maxsize-1)%maxsize; } return true; }
/** Get the front item */ public int getFront() { if(isEmpty()) return -1; return data[front]; }
/** Get the last item from the deque. */ public int getRear() { if(isEmpty()) return -1; return data[(rear-1+maxsize)%maxsize]; }
/** Checks whether the circular deque is empty or not. */ public boolean isEmpty() { return front==rear; }
/** Checks whether the circular deque is full or not. */ public boolean isFull() { return (rear+1)%maxsize==front; }}
复制代码

总结

对于队列来说数据结构相比栈复杂一些,但是也不是很难,搞懂先进先出然后用数组或者链表实现即可。


对于数组,队尾 tail 指向的位置是空的,而链表的 front(head 一样)为头指针为空的,所以在不同结构实现相同效果的方法需要注意一下。


数组实现的循环队列能够很大程度利用数组空间,而双向队列则是既能当队列又能当栈的一种高效数据结构,掌握还是很有必要的。


最后,笔者水平有限,如果有纰漏和不足之处还请指出。另外,如果感觉不错可以点个赞和关注!


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前方唯有坚持不懈! 2020.10.29 加入

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