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2023-10-08 04:25:06 +08:00

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队列

「队列 queue」是一种遵循先入先出规则的线性数据结构。顾名思义，队列模拟了排队现象，即新来的人不断加入队列的尾部，而位于队列头部的人逐个离开。

如下图所示，我们将队列的头部称为“队首”，尾部称为“队尾”，将把元素加入队尾的操作称为“入队”，删除队首元素的操作称为“出队”。

队列常用操作

队列的常见操作如下表所示。需要注意的是，不同编程语言的方法名称可能会有所不同。我们在此采用与栈相同的方法命名。

表队列操作效率

方法名	描述	时间复杂度
push()	元素入队，即将元素添加至队尾	`O(1)`
pop()	队首元素出队	`O(1)`
peek()	访问队首元素	`O(1)`

我们可以直接使用编程语言中现成的队列类。

=== "Python"

```python title="queue.py"
# 初始化队列
# 在 Python 中，我们一般将双向队列类 deque 看作队列使用
# 虽然 queue.Queue() 是纯正的队列类，但不太好用，因此不建议
que: deque[int] = collections.deque()

# 元素入队
que.append(1)
que.append(3)
que.append(2)
que.append(5)
que.append(4)

# 访问队首元素
front: int = que[0];

# 元素出队
pop: int = que.popleft()

# 获取队列的长度
size: int = len(que)

# 判断队列是否为空
is_empty: bool = len(que) == 0
```

=== "C++"

```cpp title="queue.cpp"
/* 初始化队列 */
queue<int> queue;

/* 元素入队 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 访问队首元素 */
int front = queue.front();

/* 元素出队 */
queue.pop();

/* 获取队列的长度 */
int size = queue.size();

/* 判断队列是否为空 */
bool empty = queue.empty();
```

=== "Java"

```java title="queue.java"
/* 初始化队列 */
Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();

/* 元素入队 */
queue.offer(1);
queue.offer(3);
queue.offer(2);
queue.offer(5);
queue.offer(4);

/* 访问队首元素 */
int peek = queue.peek();

/* 元素出队 */
int pop = queue.poll();

/* 获取队列的长度 */
int size = queue.size();

/* 判断队列是否为空 */
boolean isEmpty = queue.isEmpty();
```

=== "C#"

```csharp title="queue.cs"
/* 初始化队列 */
Queue<int> queue = new();

/* 元素入队 */
queue.Enqueue(1);
queue.Enqueue(3);
queue.Enqueue(2);
queue.Enqueue(5);
queue.Enqueue(4);

/* 访问队首元素 */
int peek = queue.Peek();

/* 元素出队 */
int pop = queue.Dequeue();

/* 获取队列的长度 */
int size = queue.Count;

/* 判断队列是否为空 */
bool isEmpty = queue.Count == 0;
```

=== "Go"

```go title="queue_test.go"
/* 初始化队列 */
// 在 Go 中，将 list 作为队列来使用
queue := list.New()

/* 元素入队 */
queue.PushBack(1)
queue.PushBack(3)
queue.PushBack(2)
queue.PushBack(5)
queue.PushBack(4)

/* 访问队首元素 */
peek := queue.Front()

/* 元素出队 */
pop := queue.Front()
queue.Remove(pop)

/* 获取队列的长度 */
size := queue.Len()

/* 判断队列是否为空 */
isEmpty := queue.Len() == 0
```

=== "Swift"

```swift title="queue.swift"
/* 初始化队列 */
// Swift 没有内置的队列类，可以把 Array 当作队列来使用
var queue: [Int] = []

/* 元素入队 */
queue.append(1)
queue.append(3)
queue.append(2)
queue.append(5)
queue.append(4)

/* 访问队首元素 */
let peek = queue.first!

/* 元素出队 */
// 由于是数组，因此 removeFirst 的复杂度为 O(n)
let pool = queue.removeFirst()

/* 获取队列的长度 */
let size = queue.count

/* 判断队列是否为空 */
let isEmpty = queue.isEmpty
```

=== "JS"

```javascript title="queue.js"
/* 初始化队列 */
// JavaScript 没有内置的队列，可以把 Array 当作队列来使用
const queue = [];

/* 元素入队 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 访问队首元素 */
const peek = queue[0];

/* 元素出队 */
// 底层是数组，因此 shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
const pop = queue.shift();

/* 获取队列的长度 */
const size = queue.length;

/* 判断队列是否为空 */
const empty = queue.length === 0;
```

=== "TS"

```typescript title="queue.ts"
/* 初始化队列 */
// TypeScript 没有内置的队列，可以把 Array 当作队列来使用 
const queue: number[] = [];

/* 元素入队 */
queue.push(1);
queue.push(3);
queue.push(2);
queue.push(5);
queue.push(4);

/* 访问队首元素 */
const peek = queue[0];

/* 元素出队 */
// 底层是数组，因此 shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
const pop = queue.shift();

/* 获取队列的长度 */
const size = queue.length;

/* 判断队列是否为空 */
const empty = queue.length === 0;
```

=== "Dart"

```dart title="queue.dart"
/* 初始化队列 */
// 在 Dart 中，队列类 Qeque 是双向队列，也可作为队列使用
Queue<int> queue = Queue();

/* 元素入队 */
queue.add(1);
queue.add(3);
queue.add(2);
queue.add(5);
queue.add(4);

/* 访问队首元素 */
int peek = queue.first;

/* 元素出队 */
int pop = queue.removeFirst();

/* 获取队列的长度 */
int size = queue.length;

/* 判断队列是否为空 */
bool isEmpty = queue.isEmpty;
```

=== "Rust"

```rust title="queue.rs"
/* 初始化双向队列 */
// 在 Rust 中使用双向队列作为普通队列来使用
let mut deque: VecDeque<u32> = VecDeque::new();

/* 元素入队 */
deque.push_back(1);
deque.push_back(3);
deque.push_back(2);
deque.push_back(5);
deque.push_back(4);

/* 访问队首元素 */
if let Some(front) = deque.front() {
}

/* 元素出队 */
if let Some(pop) = deque.pop_front() {
}

/* 获取队列的长度 */
let size = deque.len();

/* 判断队列是否为空 */
let is_empty = deque.is_empty();
```

=== "C"

```c title="queue.c"
// C 未提供内置队列
```

=== "Zig"

```zig title="queue.zig"

```

队列实现

为了实现队列，我们需要一种数据结构，可以在一端添加元素，并在另一端删除元素。因此，链表和数组都可以用来实现队列。

基于链表的实现

如下图所示，我们可以将链表的“头节点”和“尾节点”分别视为“队首”和“队尾”，规定队尾仅可添加节点，队首仅可删除节点。

=== "LinkedListQueue"

=== "push()"

=== "pop()"

以下是用链表实现队列的代码。

=== "Python"

```python title="linkedlist_queue.py"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "C++"

```cpp title="linkedlist_queue.cpp"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "Java"

```java title="linkedlist_queue.java"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "C#"

```csharp title="linkedlist_queue.cs"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "Go"

```go title="linkedlist_queue.go"
[class]{linkedListQueue}-[func]{}
```

=== "Swift"

```swift title="linkedlist_queue.swift"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "JS"

```javascript title="linkedlist_queue.js"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "TS"

```typescript title="linkedlist_queue.ts"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "Dart"

```dart title="linkedlist_queue.dart"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "Rust"

```rust title="linkedlist_queue.rs"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

=== "C"

```c title="linkedlist_queue.c"
[class]{linkedListQueue}-[func]{}
```

=== "Zig"

```zig title="linkedlist_queue.zig"
[class]{LinkedListQueue}-[func]{}
```

基于数组的实现

由于数组删除首元素的时间复杂度为 O(n) ，这会导致出队操作效率较低。然而，我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。

我们可以使用一个变量 front 指向队首元素的索引，并维护一个变量 size 用于记录队列长度。定义 rear = front + size ，这个公式计算出的 rear 指向队尾元素之后的下一个位置。

基于此设计，数组中包含元素的有效区间为 [front, rear - 1]，各种操作的实现方法如下图所示。

入队操作：将输入元素赋值给 rear 索引处，并将 size 增加 1 。
出队操作：只需将 front 增加 1 ，并将 size 减少 1 。

可以看到，入队和出队操作都只需进行一次操作，时间复杂度均为 O(1) 。

=== "ArrayQueue"

=== "push()"

=== "pop()"

你可能会发现一个问题：在不断进行入队和出队的过程中，front 和 rear 都在向右移动，当它们到达数组尾部时就无法继续移动了。为解决此问题，我们可以将数组视为首尾相接的“环形数组”。

对于环形数组，我们需要让 front 或 rear 在越过数组尾部时，直接回到数组头部继续遍历。这种周期性规律可以通过“取余操作”来实现，代码如下所示。

=== "Python"

```python title="array_queue.py"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "C++"

```cpp title="array_queue.cpp"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "Java"

```java title="array_queue.java"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "C#"

```csharp title="array_queue.cs"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "Go"

```go title="array_queue.go"
[class]{arrayQueue}-[func]{}
```

=== "Swift"

```swift title="array_queue.swift"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "JS"

```javascript title="array_queue.js"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "TS"

```typescript title="array_queue.ts"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "Dart"

```dart title="array_queue.dart"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "Rust"

```rust title="array_queue.rs"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

=== "C"

```c title="array_queue.c"
[class]{arrayQueue}-[func]{}
```

=== "Zig"

```zig title="array_queue.zig"
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```

以上实现的队列仍然具有局限性，即其长度不可变。然而，这个问题不难解决，我们可以将数组替换为动态数组，从而引入扩容机制。有兴趣的同学可以尝试自行实现。

两种实现的对比结论与栈一致，在此不再赘述。

队列典型应用

淘宝订单。购物者下单后，订单将加入队列中，系统随后会根据顺序依次处理队列中的订单。在双十一期间，短时间内会产生海量订单，高并发成为工程师们需要重点攻克的问题。
各类待办事项。任何需要实现“先来后到”功能的场景，例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等。队列在这些场景中可以有效地维护处理顺序。

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队列

队列常用操作

队列实现

基于链表的实现

基于数组的实现

队列典型应用

12 KiB

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