【算法】使用数组实现队列

众所周知,队列是一种先进先出(First-in-first-out 简称FIFO)数据结构。

为了实现队列,我们​​可以使用动态数组和指向队列头部的索引。

如上所述,队列应该支持两个操作:enqueue和dequeue。Enqueue会向队列追加一个新元素,而dequeue会删除第一个元素。所以我们需要一个索引来指出起点。

代码如下:

class MyCircularQueue {
       final int[] a;
        int front, rear = -1, len = 0;

        public MyCircularQueue(int k) { a = new int[k];}

        public boolean enQueue(int val) {
            if (!isFull()) {
                rear = (rear + 1) % a.length;
                a[rear] = val;
                len++;
                return true;
            } else return false;
        }

        public boolean deQueue() {
            if (!isEmpty()) {
                front = (front + 1) % a.length;
                len--;
                return true;
            } else return false;
        } 

        public int Front() { return isEmpty() ? -1 : a[front];}

        public int Rear() {return isEmpty() ? -1 : a[rear];}

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

        public boolean isFull() { return len == a.length;}

}

上面的代码有个问题就是,随着p_start 增加,空间的浪费。对此,我们进行优化,使用循环的队列(Circular Queue)代码如下:

class MyCircularQueue {
    
    private int[] data;
    private int head;
    private int tail;
    private int size;

    /** Initialize your data structure here. Set the size of the queue to be k. */
    public MyCircularQueue(int k) {
        data = new int[k];
        head = -1;
        tail = -1;
        size = k;
    }
    
    /** Insert an element into the circular queue. Return true if the operation is successful. */
    public boolean enQueue(int value) {
        if (isFull() == true) {
            return false;
        }
        if (isEmpty() == true) {
            head = 0;
        }
        tail = (tail + 1) % size;
        data[tail] = value;
        return true;
    }
    
    /** Delete an element from the circular queue. Return true if the operation is successful. */
    public boolean deQueue() {
        if (isEmpty() == true) {
            return false;
        }
        if (head == tail) {
            head = -1;
            tail = -1;
            return true;
        }
        head = (head + 1) % size;
        return true;
    }
    
    /** Get the front item from the queue. */
    public int Front() {
        if (isEmpty() == true) {
            return -1;
        }
        return data[head];
    }
    
    /** Get the last item from the queue. */
    public int Rear() {
        if (isEmpty() == true) {
            return -1;
        }
        return data[tail];
    }
    
    /** Checks whether the circular queue is empty or not. */
    public boolean isEmpty() {
        return head == -1;
    }
    
    /** Checks whether the circular queue is full or not. */
    public boolean isFull() {
        return ((tail + 1) % size) == head;
    }
}

/**
 * Your MyCircularQueue object will be instantiated and called as such:
 * MyCircularQueue obj = new MyCircularQueue(k);
 * boolean param_1 = obj.enQueue(value);
 * boolean param_2 = obj.deQueue();
 * int param_3 = obj.Front();
 * int param_4 = obj.Rear();
 * boolean param_5 = obj.isEmpty();
 * boolean param_6 = obj.isFull();
 */

原理就是:使用固定大小的数组(a fixed-size array)和两个变量(two pointers)-head 指示起始位置和 tail 指示结束位置,初始化时head 和tail 均为-1,入队(enQueue)的时候(tail+1)% fixed-size,出队(deQueue)的时候(head+1)% fixed-size,head == 1时候队列为空,((tail + 1) % size) == head时候队列满了。

很多高级语言,都有内置的队列库,所以我们不需要重复造轮子(reinvent the whell),比如Java

// "static void main" must be defined in a public class.
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. Initialize a queue.
        Queue<Integer> q = new LinkedList();
        // 2. Get the first element - return null if queue is empty.
        System.out.println("The first element is: " + q.peek());
        // 3. Push new element.
        q.offer(5);
        q.offer(13);
        q.offer(8);
        q.offer(6);
        // 4. Pop an element.
        q.poll();
        // 5. Get the first element.
        System.out.println("The first element is: " + q.peek());
        // 7. Get the size of the queue.
        System.out.println("The size is: " + q.size());
    }
}
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