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2023-04-10 23:59:22 +08:00
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commit 236b9cadb1
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@@ -1,12 +1,12 @@
# 双向队列
对于队列,我们能在头部删除或在尾部添加元素,「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。
对于队列,我们能在头部删除或在尾部添加元素。然而,「双向队列 Deque」提供了更高的灵活性,允许在头部和尾部执行元素添加或删除操作。
![双向队列的操作](deque.assets/deque_operations.png)
## 双向队列常用操作
双向队列的常用操作下表,方法名需根据语言来确定。
双向队列的常用操作下表所示,具体的方法名称需要根据所使用的编程语言来确定。
<div class="center-table" markdown>
@@ -21,7 +21,7 @@
</div>
同地,我们可以直接使用编程语言实现的双向队列类。
地,我们可以直接使用编程语言中已实现的双向队列类。
=== "Java"
@@ -285,15 +285,15 @@
## 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
双向队列的实现与队列类似,可以选择链表或数组作为底层数据结构
### 基于双向链表的实现
忆上节内容,由于可以方便地删除链表头节点(对应出队操作),以及在链表尾节点后添加新节点(对应入队操作),因此我们使用普通单向链表来实现队列
顾上一节内容,我们使用普通单向链表来实现队列,因为它可以方便地删除头节点(对应出队操作)和在尾节点后添加新节点(对应入队操作)。
双向队列头部和尾部都可以执行入队出队操作,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。此,双向队列需要使用「双向链表」来实现
对于双向队列而言,头部和尾部都可以执行入队出队操作。换句话说,双向队列需要实现另一个对称方向的操作。此,我们采用「双向链表」作为双向队列的底层数据结构
我们将双向链表的头节点和尾节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删除节点。
我们将双向链表的头节点和尾节点视为双向队列的队首和队尾,同时实现在两端添加删除节点的功能
=== "LinkedListDeque"
![基于链表实现双向队列的入队出队操作](deque.assets/linkedlist_deque.png)
@@ -392,7 +392,7 @@
### 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
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。在队列的实现基础上,仅需增加“队首入队”和“队尾出队”方法。
=== "ArrayDeque"
![基于数组实现双向队列的入队出队操作](deque.assets/array_deque.png)
@@ -473,6 +473,6 @@
## 双向队列应用
双向队列同时表现出栈与队列的逻辑,**因此可以实现两者的所有应用,并且提供更高的自由度**。
双向队列兼具栈与队列的逻辑,**因此可以实现两者的所有应用场景,同时提供更高的自由度**。
我们知道,软件的“撤销”功能需要使用栈来实现系统把每一次更改操作 `push` 到栈中,然后通过 `pop` 实现撤销。然而,考虑到系统资源有限,软件一般会限制撤销的步数(例如仅允许保存 $50$ 步),那么当栈的长度 $> 50$ 时,软件需要在栈底(即队首)执行删除**但栈无法实现,此时就需要使用双向队列来替代栈**。注意,“撤销”的核心逻辑仍然栈的先入后出,只是双向队列可以更加灵活地实现。
我们知道,软件的“撤销”功能通常使用栈来实现系统将每次更改操作 `push` 到栈中,然后通过 `pop` 实现撤销。然而,考虑到系统资源的限制,软件通常会限制撤销的步数(例如仅允许保存 $50$ 步)当栈的长度超过 $50$ 时,软件需要在栈底(即队首)执行删除操作。**但栈无法实现该功能,此时就需要使用双向队列来替代栈**。注意,“撤销”的核心逻辑仍然遵循栈的先入后出原则,只是双向队列能够更加灵活地实现一些额外逻辑

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@@ -1,14 +1,14 @@
# 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,而于队列头部的人不断地离开。
「队列 Queue」是一种遵循先入先出First In, First Out规则的线性数据结构。顾名思义队列模拟排队现象,即新来的人不断加入队列尾部,而于队列头部的人逐个离开。
我们队列头部称为「队首」,队列尾部称为「队尾」,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」。
我们队列头部称为「队首」,尾部称为「队尾」,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」。
![队列的先入先出规则](queue.assets/queue_operations.png)
## 队列常用操作
队列的常操作下表。需要注意,不同编程语言的方法名是不同的,在这里我们采用与栈相同的方法命名。
队列的常操作下表所示。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。
<div class="center-table" markdown>
@@ -20,7 +20,7 @@
</div>
我们可以直接使用编程语言实现好的队列类。
我们可以直接使用编程语言中现成的队列类。
=== "Java"
@@ -254,11 +254,11 @@
## 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,也可以使用链表数组来实现。
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,链表数组都可以用来实现队列
### 基于链表的实现
我们将链表的「头节点」和「尾节点」分别看作是队首和队尾,规定队尾可添加节点,队首可删除节点。
对于链表实现,我们可以将链表的「头节点」和「尾节点」分别视为队首和队尾,规定队尾可添加节点,队首可删除节点。
=== "LinkedListQueue"
![基于链表实现队列的入队出队操作](queue.assets/linkedlist_queue.png)
@@ -269,7 +269,7 @@
=== "pop()"
![linkedlist_queue_pop](queue.assets/linkedlist_queue_pop.png)
以下是使用链表实现队列的示例代码。
以下是用链表实现队列的示例代码。
=== "Java"
@@ -333,16 +333,16 @@
### 基于数组的实现
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低。然而,我们可以采取下述的巧妙方法来避免这个问题。
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低。然而,我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。
考虑借助一个变量 `front` 指向队首元素的索引,并维护变量 `queSize` 记录队列长度。我们定义 `rear = front + queSize` 公式计算出的 `rear` 指向队尾元素索引 $+1$ ”的位置。
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 `queSize` 用于记录队列长度。定义 `rear = front + queSize` 这个公式计算出的 `rear` 指向队尾元素之后的下一个位置。
在该设计**数组中包含元素的有效区间为 `[front, rear - 1]`** ,进而
基于此设计,**数组中包含元素的有效区间为 [front, rear - 1]**,进而
- 对于入队操作,将输入元素赋值给 `rear` 索引处,并将 `queSize` 自增 $1$ 即可
- 对于出队操作,需将 `front` 自增 $1$ ,并将 `queSize` 自减 $1$ 即可
- 对于入队操作,将输入元素赋值给 `rear` 索引处,并将 `queSize` 增加 1
- 对于出队操作,需将 `front` 增加 1 ,并将 `queSize` 减少 1
观察发现,入队出队操作都仅需单次操作即可完成,时间复杂度为 $O(1)$ 。
可以看到,入队出队操作都只需进行一次操作,时间复杂度为 $O(1)$ 。
=== "ArrayQueue"
![基于数组实现队列的入队出队操作](queue.assets/array_queue.png)
@@ -353,9 +353,9 @@
=== "pop()"
![array_queue_pop](queue.assets/array_queue_pop.png)
细心的同学可能会发现一个问题:在不断入队出队的过程中,`front` 和 `rear` 都在向右移动,**到达数组尾部就无法继续移动了**。为解决此问题,**我们考虑将数组看作是首尾相接的**,这样的数组被称为「环形数组」。
可能会发现一个问题:在不断进行入队出队的过程中,`front` 和 `rear` 都在向右移动,**当它们到达数组尾部就无法继续移动了**。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 `front` 或 `rear` 在越过数组尾部,直接回到数组头部续遍历。这种周期性规律可以通过取余操作来实现,详情请见以下代码。
对于环形数组,我们需要 `front` 或 `rear` 在越过数组尾部,直接回到数组头部续遍历。这种周期性规律可以通过取余操作来实现,代码如下所示
=== "Java"
@@ -417,13 +417,11 @@
[class]{ArrayQueue}-[func]{}
```
以上实现的队列仍存在局限性,即长度不可变。不过这个问题很容易解决,我们可以将数组替换为列表(即动态数组,从而引入扩容机制。有兴趣的同学可以尝试自行实现。
以上实现的队列仍然具有局限性,即长度不可变。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。
## 两种实现对比
与栈的结论一致,在此不再赘述。
两种实现对比结论与栈一致,在此不再赘述。
## 队列典型应用
- **淘宝订单**。购物者下单后,订单就被加入队列中,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。
- **各待办事项**。任何需要实现“先来后到”功能,例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等
- **淘宝订单**。购物者下单后,订单加入队列中,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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@@ -1,16 +1,16 @@
# 栈
「栈 Stack」是一种遵循先入后出first in, last out数据操作规则的线性数据结构。我们可以将栈类比为放在桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。
「栈 Stack」是一种遵循先入后出First In, Last Out则的线性数据结构。
“盘子”是一种形象比喻,我们将盘子替换为任意一种元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。我们将盘子替换为各种类型的元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
我们将这一摞元素的顶部称为「栈顶」,底部称为「栈底」将把元素添加到栈顶的操作称为「入栈」,删除栈顶元素的操作称为「出栈」。
在栈中,我们把堆叠元素的顶部称为「栈顶」,底部称为「栈底」将把元素添加到栈顶的操作叫做「入栈」,删除栈顶元素的操作叫做「出栈」。
![栈的先入后出规则](stack.assets/stack_operations.png)
## 栈常用操作
栈的常用操作下表方法名需根据编程语言来确定,此处我们以常见的 `push` , `pop` , `peek` 为例。
栈的常用操作下表所示,具体的方法名需根据所使用的编程语言来确定。在此,我们以常见的 `push()` , `pop()` , `peek()` 命名为例。
<div class="center-table" markdown>
@@ -22,7 +22,7 @@
</div>
我们可以直接使用编程语言实现好的栈类。 某些语言并未专门提供栈类,我们可以直接把该语言的「数组」或「链表」作栈来使用,并通过“脑补”来屏蔽无关操作。
通常情况下,我们可以直接使用编程语言内置的栈类。然而,某些语言可能没有专门提供栈类,这时我们可以该语言的「数组」或「链表」作栈来使用,并通过“脑补”来忽略与栈无关操作。
=== "Java"
@@ -252,15 +252,15 @@
## 栈的实现
为了更加清晰地了解栈的运行机制,接下来我们来自己动手实现一个栈类。
为了深入了解栈的运行机制,我们来尝试自己实现一个栈类。
规定元素是先入后出的,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组链表都可以在任意位置添加删除元素,因此 **栈可被看作是一种受约束的数组或链表**。换言之,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使对外表现逻辑符合栈的规定即可
遵循先入后出的原则,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组链表都可以在任意位置添加删除元素,**因此栈可以被视为一种受限制的数组或链表**。换句话说,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使对外表现逻辑符合栈的特性
### 基于链表的实现
使用链表实现栈时,将链表的头节点看作栈顶,尾节点看作栈底。
使用链表实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。
对于入栈操作,将元素插入链表头部即可,这种节点添加方式被称为“头插法”。而对于出栈操作,将头节点从链表中删除即可。
对于入栈操作,我们只需将元素插入链表头部,这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作,只需将头节点从链表中删除即可。
=== "LinkedListStack"
![基于链表实现栈的入栈出栈操作](stack.assets/linkedlist_stack.png)
@@ -335,7 +335,7 @@
### 基于数组的实现
使用「数组」实现栈时,考虑将数组的尾部作栈顶。这样设计下,入栈」与「出栈操作就对应在数组尾部添加元素」与「删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
在基于「数组」实现栈时,我们可以将数组的尾部作栈顶。这样设计下,入栈出栈操作就分别对应在数组尾部添加元素删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
=== "ArrayStack"
![基于数组实现栈的入栈出栈操作](stack.assets/array_stack.png)
@@ -346,7 +346,7 @@
=== "pop()"
![array_stack_pop](stack.assets/array_stack_pop.png)
由于入栈的元素可能源源不断,因此可以使用支持动态扩容的「列表」,这样就无需自行实现数组扩容。以下示例代码。
由于入栈的元素可能源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无需自行处理数组扩容问题。以下示例代码。
=== "Java"
@@ -412,28 +412,28 @@
### 支持操作
两种实现都支持栈定义中的各项操作数组实现额外支持随机访问,但这已超出栈的定义范畴,一般不会用到。
两种实现都支持栈定义中的各项操作数组实现额外支持随机访问,但这已超出栈的定义范畴,因此一般不会用到。
### 时间效率
数组(列表)实现中,入栈出栈操作都是在预先分配好的连续内存中操作,具有很好的缓存本地性,效率很好。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,那么该次入栈操作的时间复杂度为 $O(n)$ 。
基于数组的实现中,入栈出栈操作都是在预先分配好的连续内存中进行,具有很好的缓存本地性,因此效率较高。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,导致该次入栈操作的时间复杂度为 $O(n)$ 。
在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时变慢的问题。然而,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因效率不如数组。进一步地思考,如果入栈元素不是 `int` 而是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提效率。
在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因效率相对较低。不过,如果入栈元素本身就是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提效率。
综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型(如 `int` , `double` )时,则结论如下
综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型(如 `int` , `double` )时,我们可以得出以下结论
- 数组实现的栈在触发扩容时会变慢,但由于扩容是低频操作,因此 **总体效率更高**
- 链表实现的栈可以提供 **更加稳定的效率表现**
- 基于数组实现的栈在触发扩容时效率会降低,但由于扩容是低频操作,因此平均效率更高
- 基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现;
### 空间效率
在初始化列表时,系统会列表分配“初始容量”,该容量可能超过我们的需求。并且扩容机制一般是按照特定倍率(如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出我们的需求。因此,**数组实现栈会造成一定的空间浪费**。
在初始化列表时,系统会列表分配“初始容量”,该容量可能超过实际需求。并且扩容机制通常是按照特定倍率(如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出实际需求。因此,**基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费**。
然,由于节点需要额外存储指针,因此 **链表节点比数组元素占用更大**
,由于链表节点需要额外存储指针,**因此链表节点占用的空间相对较大**。
综上,我们不能简单地确定哪种实现更加省内存,需要 case-by-case 地分析。
综上,我们不能简单地确定哪种实现更加省内存,需要针对具体情况进行分析。
## 栈典型应用
- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作回到上一页面后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
- **程序内存管理**。每调用函数时,系统会在栈顶添加一个栈帧,用记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推会不断执行入栈向上回溯阶段时出栈
- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过「后退」操作回到上一页面后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
- **程序内存管理**。每调用函数时,系统会在栈顶添加一个栈帧,用记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推阶段会不断执行入栈操作,而向上回溯阶段则会执行出栈操作

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@@ -1,7 +1,7 @@
# 小结
- 栈是一种遵循先入后出的数据结构,可以使用数组或链表实现。
- 时间效率方面,栈的数组实现具有更好的平均效率,但扩容时会导致单次入栈操作的时间复杂度劣化至 $O(n)$ 。相对地,栈的链表实现具有更稳定的效率表现。
- 在空间效率方面,栈的数组实现会造成一定空间浪费,然而链表节点比数组元素占用内存更大。
- 队列是一种遵循先入先出的数据结构,可以使用数组或链表实现。对于两种实现的时间效率空间效率对比,与上述栈的结论相
- 双向队列的两端都可以添加删除元素
- 栈是一种遵循先入后出原则的数据结构,可通过数组或链表实现。
- 时间效率角度看,栈的数组实现具有较高的平均效率,但扩容过程中,单次入栈操作的时间复杂度会降低至 $O(n)$ 。相比之下,基于链表实现的栈具有更稳定的效率表现。
- 在空间效率方面,栈的数组实现可能导致一定程度的空间浪费。但需要注意的是,链表节点所占用的内存空间比数组元素更大。
- 队列是一种遵循先入先出原则的数据结构,同样可以通过数组或链表实现。时间效率空间效率对比上,队列的结论与前述栈的结论相
- 双向队列是一种具有更高自由度的队列,它允许在两端进行元素的添加删除操作