hello-algo/docs/chapter_stack_and_queue/deque.md

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2023-02-28 20:03:53 +08:00
# 双向队列
2022-11-22 17:47:26 +08:00
对于队列,我们只能在头部删除或在尾部添加元素,而「双向队列 Deque」更加灵活在其头部和尾部都能执行元素添加或删除操作。
![双向队列的操作](deque.assets/deque_operations.png)
2022-11-22 17:47:26 +08:00
## 双向队列常用操作
2022-11-22 17:47:26 +08:00
双向队列的常用操作见下表,方法名需根据特定语言来确定。
2022-11-22 17:47:26 +08:00
<div class="center-table" markdown>
| 方法名 | 描述 | 时间复杂度 |
| ------------ | ---------------- | ---------- |
| pushFirst() | 将元素添加至队首 | $O(1)$ |
| pushLast() | 将元素添加至队尾 | $O(1)$ |
| pollFirst() | 删除队首元素 | $O(1)$ |
| pollLast() | 删除队尾元素 | $O(1)$ |
| peekFirst() | 访问队首元素 | $O(1)$ |
| peekLast() | 访问队尾元素 | $O(1)$ |
| size() | 获取队列的长度 | $O(1)$ |
| isEmpty() | 判断队列是否为空 | $O(1)$ |
2022-11-22 17:47:26 +08:00
</div>
相同地,我们可以直接使用编程语言实现好的双向队列类。
=== "Java"
```java title="deque.java"
/* 初始化双向队列 */
Deque<Integer> deque = new LinkedList<>();
2022-11-22 17:47:26 +08:00
/* 元素入队 */
2022-11-30 03:46:53 +08:00
deque.offerLast(2); // 添加至队尾
2022-11-22 17:47:26 +08:00
deque.offerLast(5);
deque.offerLast(4);
2022-11-30 03:46:53 +08:00
deque.offerFirst(3); // 添加至队首
2022-11-22 17:47:26 +08:00
deque.offerFirst(1);
/* 访问元素 */
2022-11-30 03:46:53 +08:00
int peekFirst = deque.peekFirst(); // 队首元素
int peekLast = deque.peekLast(); // 队尾元素
2022-11-22 17:47:26 +08:00
/* 元素出队 */
2022-11-30 03:46:53 +08:00
int pollFirst = deque.pollFirst(); // 队首元素出队
int pollLast = deque.pollLast(); // 队尾元素出队
2022-11-30 02:27:26 +08:00
/* 获取双向队列的长度 */
2022-11-22 17:47:26 +08:00
int size = deque.size();
2022-11-30 02:27:26 +08:00
/* 判断双向队列是否为空 */
2022-11-22 17:47:26 +08:00
boolean isEmpty = deque.isEmpty();
```
=== "C++"
```cpp title="deque.cpp"
2022-11-30 03:46:53 +08:00
/* 初始化双向队列 */
deque<int> deque;
2022-11-30 03:46:53 +08:00
/* 元素入队 */
deque.push_back(2); // 添加至队尾
deque.push_back(5);
deque.push_back(4);
deque.push_front(3); // 添加至队首
deque.push_front(1);
/* 访问元素 */
2022-11-30 03:46:53 +08:00
int front = deque.front(); // 队首元素
int back = deque.back(); // 队尾元素
2022-11-30 03:46:53 +08:00
/* 元素出队 */
deque.pop_front(); // 队首元素出队
deque.pop_back(); // 队尾元素出队
2022-11-30 03:46:53 +08:00
/* 获取双向队列的长度 */
int size = deque.size();
2022-11-30 03:46:53 +08:00
/* 判断双向队列是否为空 */
bool empty = deque.empty();
2022-11-22 17:47:26 +08:00
```
=== "Python"
```python title="deque.py"
""" 初始化双向队列 """
duque = deque()
""" 元素入队 """
duque.append(2) # 添加至队尾
duque.append(5)
duque.append(4)
duque.appendleft(3) # 添加至队首
duque.appendleft(1)
""" 访问元素 """
front = duque[0] # 队首元素
rear = duque[-1] # 队尾元素
""" 元素出队 """
pop_front = duque.popleft() # 队首元素出队
pop_rear = duque.pop() # 队尾元素出队
""" 获取双向队列的长度 """
size = len(duque)
""" 判断双向队列是否为空 """
is_empty = len(duque) == 0
2022-11-22 17:47:26 +08:00
```
2022-12-03 01:31:29 +08:00
=== "Go"
2022-12-15 23:30:53 +08:00
```go title="deque_test.go"
/* 初始化双向队列 */
// 在 Go 中,将 list 作为双向队列使用
deque := list.New()
/* 元素入队 */
deque.PushBack(2) // 添加至队尾
deque.PushBack(5)
deque.PushBack(4)
deque.PushFront(3) // 添加至队首
deque.PushFront(1)
/* 访问元素 */
front := deque.Front() // 队首元素
rear := deque.Back() // 队尾元素
/* 元素出队 */
deque.Remove(front) // 队首元素出队
deque.Remove(rear) // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
size := deque.Len()
/* 判断双向队列是否为空 */
isEmpty := deque.Len() == 0
2022-12-03 01:31:29 +08:00
```
=== "JavaScript"
2023-02-08 04:27:55 +08:00
```javascript title="deque.js"
/* 初始化双向队列 */
// JavaScript 没有内置的双端队列,只能把 Array 当作双端队列来使用
const deque = [];
/* 元素入队 */
deque.push(2);
deque.push(5);
deque.push(4);
// 请注意由于是数组unshift() 方法的时间复杂度为 O(n)
deque.unshift(3);
deque.unshift(1);
console.log("双向队列 deque = ", deque);
/* 访问元素 */
const peekFirst = deque[0];
console.log("队首元素 peekFirst = " + peekFirst);
const peekLast = deque[deque.length - 1];
console.log("队尾元素 peekLast = " + peekLast);
/* 元素出队 */
// 请注意由于是数组shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
const popFront = deque.shift();
console.log("队首出队元素 popFront = " + popFront + ",队首出队后 deque = " + deque);
const popBack = deque.pop();
console.log("队尾出队元素 popBack = " + popBack + ",队尾出队后 deque = " + deque);
/* 获取双向队列的长度 */
const size = deque.length;
console.log("双向队列长度 size = " + size);
/* 判断双向队列是否为空 */
const isEmpty = size === 0;
console.log("双向队列是否为空 = " + isEmpty);
2022-12-03 01:31:29 +08:00
```
=== "TypeScript"
```typescript title="deque.ts"
/* 初始化双向队列 */
// TypeScript 没有内置的双端队列,只能把 Array 当作双端队列来使用
const deque: number[] = [];
/* 元素入队 */
deque.push(2);
deque.push(5);
deque.push(4);
// 请注意由于是数组unshift() 方法的时间复杂度为 O(n)
deque.unshift(3);
deque.unshift(1);
console.log("双向队列 deque = ", deque);
/* 访问元素 */
const peekFirst: number = deque[0];
console.log("队首元素 peekFirst = " + peekFirst);
const peekLast: number = deque[deque.length - 1];
console.log("队尾元素 peekLast = " + peekLast);
/* 元素出队 */
// 请注意由于是数组shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
const popFront: number = deque.shift() as number;
console.log("队首出队元素 popFront = " + popFront + ",队首出队后 deque = " + deque);
const popBack: number = deque.pop() as number;
console.log("队尾出队元素 popBack = " + popBack + ",队尾出队后 deque = " + deque);
/* 获取双向队列的长度 */
const size: number = deque.length;
console.log("双向队列长度 size = " + size);
/* 判断双向队列是否为空 */
const isEmpty: boolean = size === 0;
console.log("双向队列是否为空 = " + isEmpty);
2022-12-03 01:31:29 +08:00
```
=== "C"
```c title="deque.c"
2022-12-03 01:31:29 +08:00
```
=== "C#"
```csharp title="deque.cs"
/* 初始化双向队列 */
2022-12-30 16:11:47 +08:00
// 在 C# 中,将链表 LinkedList 看作双向队列来使用
LinkedList<int> deque = new LinkedList<int>();
/* 元素入队 */
deque.AddLast(2); // 添加至队尾
deque.AddLast(5);
deque.AddLast(4);
deque.AddFirst(3); // 添加至队首
deque.AddFirst(1);
/* 访问元素 */
int peekFirst = deque.First.Value; // 队首元素
int peekLast = deque.Last.Value; // 队尾元素
/* 元素出队 */
deque.RemoveFirst(); // 队首元素出队
deque.RemoveLast(); // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
int size = deque.Count;
/* 判断双向队列是否为空 */
bool isEmpty = deque.Count == 0;
2022-12-03 01:31:29 +08:00
```
2023-01-08 19:41:05 +08:00
=== "Swift"
```swift title="deque.swift"
/* 初始化双向队列 */
// Swift 没有内置的双向队列类,可以把 Array 当作双向队列来使用
var deque: [Int] = []
/* 元素入队 */
deque.append(2) // 添加至队尾
deque.append(5)
deque.append(4)
deque.insert(3, at: 0) // 添加至队首
deque.insert(1, at: 0)
/* 访问元素 */
let peekFirst = deque.first! // 队首元素
let peekLast = deque.last! // 队尾元素
/* 元素出队 */
// 使用 Array 模拟时 pollFirst 的复杂度为 O(n)
let pollFirst = deque.removeFirst() // 队首元素出队
let pollLast = deque.removeLast() // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
let size = deque.count
/* 判断双向队列是否为空 */
let isEmpty = deque.isEmpty
2023-01-08 19:41:05 +08:00
```
2023-02-01 22:03:04 +08:00
=== "Zig"
```zig title="deque.zig"
```
## 双向队列实现 *
与队列类似,双向队列同样可以使用链表或数组来实现。
### 基于双向链表的实现
回忆上节内容,由于可以方便地删除链表头结点(对应出队操作),以及在链表尾结点后添加新结点(对应入队操作),因此我们使用普通单向链表来实现队列。
而双向队列的头部和尾部都可以执行入队与出队操作,换言之,双向队列的操作是“首尾对称”的,也需要实现另一个对称方向的操作。因此,双向队列需要使用「双向链表」来实现。
我们将双向链表的头结点和尾结点分别看作双向队列的队首和队尾,并且实现在两端都能添加与删除结点。
=== "LinkedListDeque"
2023-02-26 19:22:46 +08:00
![基于链表实现双向队列的入队出队操作](deque.assets/linkedlist_deque.png)
=== "pushLast()"
![linkedlist_deque_push_last](deque.assets/linkedlist_deque_push_last.png)
=== "pushFirst()"
![linkedlist_deque_push_first](deque.assets/linkedlist_deque_push_first.png)
=== "pollLast()"
![linkedlist_deque_poll_last](deque.assets/linkedlist_deque_poll_last.png)
=== "pollFirst()"
![linkedlist_deque_poll_first](deque.assets/linkedlist_deque_poll_first.png)
以下是具体实现代码。
=== "Java"
```java title="linkedlist_deque.java"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
=== "C++"
```cpp title="linkedlist_deque.cpp"
```
=== "Python"
```python title="linkedlist_deque.py"
```
=== "Go"
```go title="linkedlist_deque.go"
```
=== "JavaScript"
2023-02-08 04:27:55 +08:00
```javascript title="linkedlist_deque.js"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="linkedlist_deque.ts"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
=== "C"
```c title="linkedlist_deque.c"
```
=== "C#"
```csharp title="linkedlist_deque.cs"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
=== "Swift"
```swift title="linkedlist_deque.swift"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
2023-02-01 22:03:04 +08:00
=== "Zig"
```zig title="linkedlist_deque.zig"
```
### 基于数组的实现
与基于数组实现队列类似,我们也可以使用环形数组来实现双向队列。在实现队列的基础上,增加实现“队首入队”和“队尾出队”方法即可。
=== "ArrayDeque"
2023-02-26 19:22:46 +08:00
![基于数组实现双向队列的入队出队操作](deque.assets/array_deque.png)
=== "pushLast()"
![array_deque_push_last](deque.assets/array_deque_push_last.png)
=== "pushFirst()"
![array_deque_push_first](deque.assets/array_deque_push_first.png)
=== "pollLast()"
![array_deque_poll_last](deque.assets/array_deque_poll_last.png)
=== "pollFirst()"
![array_deque_poll_first](deque.assets/array_deque_poll_first.png)
以下是具体实现代码。
=== "Java"
```java title="array_deque.java"
[class]{ArrayDeque}-[func]{}
```
=== "C++"
```cpp title="array_deque.cpp"
```
=== "Python"
```python title="array_deque.py"
```
=== "Go"
```go title="array_deque.go"
```
=== "JavaScript"
```js title="array_deque.js"
```
=== "TypeScript"
```typescript title="array_deque.ts"
```
=== "C"
```c title="array_deque.c"
```
=== "C#"
```csharp title="array_deque.cs"
```
=== "Swift"
```swift title="array_deque.swift"
[class]{ArrayDeque}-[func]{}
```
=== "Zig"
```zig title="array_deque.zig"
```