hello-algo/docs/chapter_stack_and_queue/queue.md
2022-12-20 13:14:22 +08:00

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# 队列
「队列 Queue」是一种遵循「先入先出 first in, first out」数据操作规则的线性数据结构。顾名思义队列模拟的是排队现象即外面的人不断加入队列尾部而处于队列头部的人不断地离开。
我们将队列头部称为「队首」,队列尾部称为「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」。
![queue_operations](queue.assets/queue_operations.png)
<p align="center"> Fig. 队列的先入先出特性 </p>
## 队列常用操作
队列的常用操作见下表,方法命名需根据编程语言的设定来具体确定。
<p align="center"> Table. 队列的常用操作 </p>
<div class="center-table" markdown>
| 方法 | 描述 |
| --------- | ---------------------------- |
| offer() | 元素入队,即将元素添加至队尾 |
| poll() | 队首元素出队 |
| front() | 访问队首元素 |
| size() | 获取队列的长度 |
| isEmpty() | 判断队列是否为空 |
</div>
我们可以直接使用编程语言实现好的队列类。
=== "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 poll = 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++"
```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();
```
=== "Python"
```python title="queue.py"
""" 初始化队列 """
# 在 Python 中,我们一般将双向队列类 deque 看左队列使用
# 虽然 queue.Queue() 是纯正的队列类,但不太好用,因此不建议
que = 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 = que[0];
""" 元素出队 """
pop = que.popleft()
""" 获取队列的长度 """
size = len(que)
""" 判断队列是否为空 """
is_empty = len(que) == 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 */
poll := queue.Front()
queue.Remove(poll)
/* 获取队列的长度 */
size := queue.Len()
/* 判断队列是否为空 */
isEmpty := queue.Len() == 0
```
=== "JavaScript"
```js 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
// 注意:由于是数组,所以 shift() 的时间复杂度是 O(n)
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 */
// O(n)
const poll = 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;
```
=== "TypeScript"
```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
// 注意:由于是数组,所以 shift() 的时间复杂度是 O(n)
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 */
// O(n)
const poll = 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;
```
=== "C"
```c title="queue.c"
```
=== "C#"
```csharp title="queue.cs"
```
## 队列实现
队列需要一种可以在一端添加,并在另一端删除的数据结构,也可以使用链表或数组来实现。
### 基于链表的实现
我们将链表的「头结点」和「尾结点」分别看作是队首和队尾,并规定队尾只可添加结点,队首只可删除结点。
=== "Java"
```java title="linkedlist_queue.java"
/* 基于链表实现的队列 */
class LinkedListQueue {
private ListNode front, rear; // 头结点 front ,尾结点 rear
private int queSize = 0;
public LinkedListQueue() {
front = null;
rear = null;
}
/* 获取队列的长度 */
public int size() {
return queSize;
}
/* 判断队列是否为空 */
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
/* 入队 */
public void offer(int num) {
// 尾结点后添加 num
ListNode node = new ListNode(num);
// 如果队列为空,则令头、尾结点都指向该结点
if (front == null) {
front = node;
rear = node;
// 如果队列不为空,则将该结点添加到尾结点后
} else {
rear.next = node;
rear = node;
}
queSize++;
}
/* 出队 */
public int poll() {
int num = peek();
// 删除头结点
front = front.next;
queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
public int peek() {
if (size() == 0)
throw new IndexOutOfBoundsException();
return front.val;
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="linkedlist_queue.cpp"
/* 基于链表实现的队列 */
class LinkedListQueue {
private:
ListNode *front, *rear; // 头结点 front ,尾结点 rear
int queSize;
public:
LinkedListQueue() {
front = nullptr;
rear = nullptr;
queSize = 0;
}
/* 获取队列的长度 */
int size() {
return queSize;
}
/* 判断队列是否为空 */
bool empty() {
return queSize == 0;
}
/* 入队 */
void offer(int num) {
// 尾结点后添加 num
ListNode* node = new ListNode(num);
// 如果队列为空,则令头、尾结点都指向该结点
if (front == nullptr) {
front = node;
rear = node;
}
// 如果队列不为空,则将该结点添加到尾结点后
else {
rear->next = node;
rear = node;
}
queSize++;
}
/* 出队 */
int poll() {
int num = peek();
// 删除头结点
front = front->next;
queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
int peek() {
if (size() == 0)
throw out_of_range("队列为空");
return front->val;
}
};
```
=== "Python"
```python title="linkedlist_queue.py"
""" 基于链表实现的队列 """
class LinkedListQueue:
def __init__(self):
self.__front = None # 头结点 front
self.__rear = None # 尾结点 rear
self.__size = 0
""" 获取队列的长度 """
def size(self):
return self.__size
""" 判断队列是否为空 """
def is_empty(self):
return not self.__front
""" 入队 """
def push(self, num):
# 尾结点后添加 num
node = ListNode(num)
# 如果队列为空,则令头、尾结点都指向该结点
if self.__front == 0:
self.__front = node
self.__rear = node
# 如果队列不为空,则将该结点添加到尾结点后
else:
self.__rear.next = node
self.__rear = node
self.__size += 1
""" 出队 """
def poll(self):
num = self.peek()
# 删除头结点
self.__front = self.__front.next
self.__size -= 1
return num
""" 访问队首元素 """
def peek(self):
if self.size() == 0:
print("队列为空")
return False
return self.__front.val
```
=== "Go"
```go title="linkedlist_queue.go"
/* 基于链表实现的队列 */
type LinkedListQueue struct {
// 使用内置包 list 来实现队列
data *list.List
}
// NewLinkedListQueue 初始化链表
func NewLinkedListQueue() *LinkedListQueue {
return &LinkedListQueue{
data: list.New(),
}
}
// Offer 入队
func (s *LinkedListQueue) Offer(value any) {
s.data.PushBack(value)
}
// Poll 出队
func (s *LinkedListQueue) Poll() any {
if s.IsEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Front()
s.data.Remove(e)
return e.Value
}
// Peek 访问队首元素
func (s *LinkedListQueue) Peek() any {
if s.IsEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Front()
return e.Value
}
// Size 获取队列的长度
func (s *LinkedListQueue) Size() int {
return s.data.Len()
}
// IsEmpty 判断队列是否为空
func (s *LinkedListQueue) IsEmpty() bool {
return s.data.Len() == 0
}
```
=== "JavaScript"
```js title="linkedlist_queue.js"
class LinkedListQueue {
#front;
#rear; // 头结点 #front ,尾结点 #rear
#queSize = 0;
constructor() {
this.#front = null;
this.#rear = null;
}
/* 获取队列的长度 */
get size() {
return this.#queSize;
}
/* 判断队列是否为空 */
isEmpty() {
return this.size === 0;
}
/* 入队 */
offer(num) {
// 尾结点后添加 num
const node = new ListNode(num);
// 如果队列为空,则令头、尾结点都指向该结点
if (!this.#front) {
this.#front = node;
this.#rear = node;
// 如果队列不为空,则将该结点添加到尾结点后
} else {
this.#rear.next = node;
this.#rear = node;
}
this.#queSize++;
}
/* 出队 */
poll() {
const num = this.peek();
if (!this.#front) {
throw new Error("No element in queue!")
}
// 删除头结点
this.#front = this.#front.next;
this.#queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
peek() {
if (this.size === 0)
throw new Error("No element in queue!");
return this.#front.val;
}
/* 将链表转化为 Array 并返回 */
toArray() {
let node = this.#front;
const res = new Array(this.size);
for (let i = 0; i < res.length; i++) {
res[i] = node.val;
node = node.next;
}
return res;
}
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="linkedlist_queue.ts"
/* 基于链表实现的队列 */
class LinkedListQueue {
private front: ListNode | null;
private rear: ListNode | null; // 头结点 front 尾结点 rear
private queSize: number = 0;
constructor() {
this.front = null;
this.rear = null;
}
/* 获取队列的长度 */
get size(): number {
return this.queSize;
}
/* 判断队列是否为空 */
isEmpty(): boolean {
return this.size === 0;
}
/* 入队 */
offer(num: number): void {
// 尾结点后添加 num
const node = new ListNode(num);
// 如果队列为空则令头尾结点都指向该结点
if (!this.front) {
this.front = node;
this.rear = node;
// 如果队列不为空则将该结点添加到尾结点后
} else {
this.rear!.next = node;
this.rear = node;
}
this.queSize++;
}
/* 出队 */
poll(): number {
const num = this.peek();
if (!this.front) {
throw new Error("No element in queue!")
}
// 删除头结点
this.front = this.front.next;
this.queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
peek(): number {
if (this.size === 0)
throw new Error("No element in queue!");
return this.front!.val;
}
/* 将链表转化为 Array 并返回 */
toArray(): number[] {
let node = this.front;
const res = new Array<number>(this.size);
for (let i = 0; i < res.length; i++) {
res[i] = node!.val;
node = node!.next;
}
return res;
}
}
```
=== "C"
```c title="linkedlist_queue.c"
```
=== "C#"
```csharp title="linkedlist_queue.cs"
```
### 基于数组的实现
数组的删除首元素的时间复杂度为 $O(n)$ 因此不适合直接用来实现队列然而我们可以借助两个指针 `front` , `rear` 来分别记录队首和队尾的索引位置在入队 / 出队时分别将 `front` / `rear` 向后移动一位即可这样每次仅需操作一个元素时间复杂度降至 $O(1)$
还有一个问题在入队与出队的过程中两个指针都在向后移动而到达尾部后则无法继续移动了为了解决此问题我们可以采取一个取巧方案即将数组看作是 环形 具体做法是规定指针越过数组尾部后再次回到头部接续遍历这样相当于使数组 首尾相连
为了适应环形数组的设定获取长度 `size()` 入队 `offer()` 出队 `poll()` 方法都需要做相应的取余操作处理使得当尾指针绕回数组头部时仍然可以正确处理操作
基于数组实现的队列有一个缺点即长度不可变但这点我们可以通过动态数组来解决有兴趣的同学可以自行实现
=== "Java"
```java title="array_queue.java"
/* 基于环形数组实现的队列 */
class ArrayQueue {
private int[] nums; // 用于存储队列元素的数组
private int front = 0; // 头指针指向队首
private int rear = 0; // 尾指针指向队尾 + 1
public ArrayQueue(int capacity) {
// 初始化数组
nums = new int[capacity];
}
/* 获取队列的容量 */
public int capacity() {
return nums.length;
}
/* 获取队列的长度 */
public int size() {
int capacity = capacity();
// 由于将数组看作为环形可能 rear < front 因此需要取余数
return (capacity + rear - front) % capacity;
}
/* 判断队列是否为空 */
public boolean isEmpty() {
return rear - front == 0;
}
/* 入队 */
public void offer(int num) {
if (size() == capacity()) {
System.out.println("队列已满");
return;
}
// 尾结点后添加 num
nums[rear] = num;
// 尾指针向后移动一位越过尾部后返回到数组头部
rear = (rear + 1) % capacity();
}
/* 出队 */
public int poll() {
int num = peek();
// 队头指针向后移动一位若越过尾部则返回到数组头部
front = (front + 1) % capacity();
return num;
}
/* 访问队首元素 */
public int peek() {
// 删除头结点
if (isEmpty())
throw new EmptyStackException();
return nums[front];
}
/* 访问指定索引元素 */
int get(int index) {
if (index >= size())
throw new IndexOutOfBoundsException();
return nums[(front + index) % capacity()];
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="array_queue.cpp"
/* 基于环形数组实现的队列 */
class ArrayQueue {
private:
int *nums; // 用于存储队列元素的数组
int cap; // 队列容量
int front = 0; // 头指针,指向队首
int rear = 0; // 尾指针,指向队尾 + 1
public:
ArrayQueue(int capacity) {
// 初始化数组
cap = capacity;
nums = new int[capacity];
}
/* 获取队列的容量 */
int capacity() {
return cap;
}
/* 获取队列的长度 */
int size() {
// 由于将数组看作为环形,可能 rear < front 因此需要取余数
return (capacity() + rear - front) % capacity();
}
/* 判断队列是否为空 */
bool empty() {
return rear - front == 0;
}
/* 入队 */
void offer(int num) {
if (size() == capacity()) {
cout << "队列已满" << endl;
return;
}
// 尾结点后添加 num
nums[rear] = num;
// 尾指针向后移动一位越过尾部后返回到数组头部
rear = (rear + 1) % capacity();
}
/* 出队 */
int poll() {
int num = peek();
// 队头指针向后移动一位若越过尾部则返回到数组头部
front = (front + 1) % capacity();
return num;
}
/* 访问队首元素 */
int peek() {
// 删除头结点
if (empty())
throw out_of_range("队列为空");
return nums[front];
}
/* 访问指定位置元素 */
int get(int index) {
if (index >= size())
throw out_of_range("索引越界");
return nums[(front + index) % capacity()]
}
};
```
=== "Python"
```python title="array_queue.py"
""" 基于环形数组实现的队列 """
class ArrayQueue:
def __init__(self, size):
self.__nums = [0] * size # 用于存储队列元素的数组
self.__front = 0 # 头指针,指向队首
self.__rear = 0 # 尾指针,指向队尾 + 1
""" 获取队列的容量 """
def capacity(self):
return len(self.__nums)
""" 获取队列的长度 """
def size(self):
# 由于将数组看作为环形,可能 rear < front 因此需要取余数
return (self.capacity() + self.__rear - self.__front) % self.capacity()
""" 判断队列是否为空 """
def is_empty(self):
return (self.__rear - self.__front) == 0
""" 入队 """
def push(self, val):
if self.size() == self.capacity():
print("队列已满")
return False
# 尾结点后添加 num
self.__nums[self.__rear] = val
# 尾指针向后移动一位越过尾部后返回到数组头部
self.__rear = (self.__rear + 1) % self.capacity()
""" 出队 """
def poll(self):
# 删除头结点
num = self.peek()
# 队头指针向后移动一位若越过尾部则返回到数组头部
self.__front = (self.__front + 1) % self.capacity()
return num
""" 访问队首元素 """
def peek(self):
# 删除头结点
if self.is_empty():
print("队列为空")
return False
return self.__nums[self.__front]
""" 访问指定位置元素 """
def get(self, index):
if index >= self.size():
print("索引越界")
return False
return self.__nums[(self.__front + index) % self.capacity()]
""" 返回列表用于打印 """
def to_list(self):
res = [0] * self.size()
j = self.__front
for i in range(self.size()):
res[i] = self.__nums[(j % self.capacity())]
j += 1
return res
```
=== "Go"
```go title="array_queue.go"
/* 基于环形数组实现的队列 */
type ArrayQueue struct {
data []int // 用于存储队列元素的数组
capacity int // 队列容量(即最多容量的元素个数)
front int // 头指针,指向队首
rear int // 尾指针,指向队尾 + 1
}
// NewArrayQueue 基于环形数组实现的队列
func NewArrayQueue(capacity int) *ArrayQueue {
return &ArrayQueue{
data: make([]int, capacity),
capacity: capacity,
front: 0,
rear: 0,
}
}
// Size 获取队列的长度
func (q *ArrayQueue) Size() int {
size := (q.capacity + q.rear - q.front) % q.capacity
return size
}
// IsEmpty 判断队列是否为空
func (q *ArrayQueue) IsEmpty() bool {
return q.rear-q.front == 0
}
// Offer 入队
func (q *ArrayQueue) Offer(v int) {
// 当 rear == capacity 表示队列已满
if q.Size() == q.capacity {
return
}
// 尾结点后添加
q.data[q.rear] = v
// 尾指针向后移动一位,越过尾部后返回到数组头部
q.rear = (q.rear + 1) % q.capacity
}
// Poll 出队
func (q *ArrayQueue) Poll() any {
if q.IsEmpty() {
return nil
}
v := q.data[q.front]
// 队头指针向后移动一位,若越过尾部则返回到数组头部
q.front = (q.front + 1) % q.capacity
return v
}
// Peek 访问队首元素
func (q *ArrayQueue) Peek() any {
if q.IsEmpty() {
return nil
}
v := q.data[q.front]
return v
}
```
=== "JavaScript"
```js title="array_queue.js"
/* 基于环形数组实现的队列 */
class ArrayQueue {
queue; // 用于存储队列元素的数组
front = 0; // 头指针,指向队首
rear = 0; // 尾指针,指向队尾 + 1
CAPACITY = 1e5;
constructor(capacity) {
this.queue = new Array(capacity ?? this.CAPACITY);
}
/* 获取队列的容量 */
get capacity() {
return this.queue.length;
}
/* 获取队列的长度 */
get size() {
// 由于将数组看作为环形,可能 rear < front 因此需要取余数
return (this.capacity + this.rear - this.front) % this.capacity;
}
/* 判断队列是否为空 */
empty() {
return this.rear - this.front == 0;
}
/* 入队 */
offer(num) {
if (this.size == this.capacity) {
console.log("队列已满");
return;
}
// 尾结点后添加 num
this.queue[this.rear] = num;
// 尾指针向后移动一位越过尾部后返回到数组头部
this.rear = (this.rear + 1) % this.capacity;
}
/* 出队 */
poll() {
const num = this.peek();
// 队头指针向后移动一位若越过尾部则返回到数组头部
this.front = (this.front + 1) % this.capacity;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
peek() {
// 删除头结点
if (this.empty())
throw new Error("The queue is empty!");
return this.queue[this.front];
}
/* 访问指定索引元素 */
get(index) {
if (index >= this.size)
throw new Error("Index out of bounds!");
return this.queue[(this.front + index) % this.capacity];
}
/* 返回 Array */
toArray() {
const siz = this.size;
const cap = this.capacity;
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
const arr = new Array(siz);
for (let i = 0, j = this.front; i < siz; i++, j++) {
arr[i] = this.queue[j % cap];
}
return arr;
}
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="array_queue.ts"
/* 基于环形数组实现的队列 */
class ArrayQueue {
private queue: number[]; // 用于存储队列元素的数组
private front: number = 0; // 头指针指向队首
private rear: number = 0; // 尾指针指向队尾 + 1
private CAPACITY: number = 1e5;
constructor(capacity?: number) {
this.queue = new Array<number>(capacity ?? this.CAPACITY);
}
/* 获取队列的容量 */
get capacity(): number {
return this.queue.length;
}
/* 获取队列的长度 */
get size(): number {
// 由于将数组看作为环形,可能 rear < front 因此需要取余数
return (this.capacity + this.rear - this.front) % this.capacity;
}
/* 判断队列是否为空 */
empty(): boolean {
return this.rear - this.front == 0;
}
/* 入队 */
offer(num: number): void {
if (this.size == this.capacity) {
console.log("队列已满");
return;
}
// 尾结点后添加 num
this.queue[this.rear] = num;
// 尾指针向后移动一位越过尾部后返回到数组头部
this.rear = (this.rear + 1) % this.capacity;
}
/* 出队 */
poll(): number {
const num = this.peek();
// 队头指针向后移动一位若越过尾部则返回到数组头部
this.front = (this.front + 1) % this.capacity;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
peek(): number {
// 删除头结点
if (this.empty())
throw new Error("The queue is empty!");
return this.queue[this.front];
}
/* 访问指定索引元素 */
get(index: number): number {
if (index >= this.size)
throw new Error("Index out of bounds!");
return this.queue[(this.front + index) % this.capacity];
}
/* 返回 Array */
toArray(): number[] {
const siz = this.size;
const cap = this.capacity;
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
const arr = new Array(siz);
for (let i = 0, j = this.front; i < siz; i++, j++) {
arr[i] = this.queue[j % cap];
}
return arr;
}
}
```
=== "C"
```c title="array_queue.c"
```
=== "C#"
```csharp title="array_queue.cs"
```
## 队列典型应用
- **淘宝订单。** 购物者下单后订单就被加入到队列之中随后系统再根据顺序依次处理队列中的订单在双十一时在短时间内会产生海量的订单如何处理高并发则是工程师们需要重点思考的问题
- **各种待办事项。** 例如打印机的任务队列餐厅的出餐队列等等