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# 5.3 双向队列
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对于队列,我们仅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的添加或删除操作。
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在队列中,我们仅能在头部删除或在尾部添加元素。如下图所示,「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的添加或删除操作。
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对于双向队列而言,头部和尾部都可以执行入队和出队操作。换句话说,双向队列需要实现另一个对称方向的操作。为此,我们采用“双向链表”作为双向队列的底层数据结构。
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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和删除节点的功能。
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如下图所示,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和删除节点的功能。
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=== "LinkedListDeque"
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<p align="center"> 图:基于链表实现双向队列的入队出队操作 </p>
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以下是具体实现代码。
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实现代码如下所示。
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=== "Java"
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### 2. 基于数组的实现
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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”的方法。
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如下图所示,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。
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=== "ArrayDeque"
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<p align="center"> 图:基于数组实现双向队列的入队出队操作 </p>
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以下是具体实现代码。
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在队列的实现基础上,仅需增加“队首入队”和“队尾出队”的方法。
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=== "Java"
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「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。
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我们把队列的头部称为“队首”,尾部称为“队尾”,把将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”。
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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”。
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### 1. 基于链表的实现
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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”,规定队尾仅可添加节点,队首仅可删除节点。
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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。
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=== "LinkedListQueue"
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<p align="center"> 图:基于链表实现队列的入队出队操作 </p>
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以下是用链表实现队列的示例代码。
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以下是用链表实现队列的代码。
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=== "Java"
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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。
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基于此设计,**数组中包含元素的有效区间为 [front, rear - 1]**,进而:
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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。
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- 对于入队操作,将输入元素赋值给 `rear` 索引处,并将 `queSize` 增加 1 。
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- 对于出队操作,只需将 `front` 增加 1 ,并将 `queSize` 减少 1 。
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- 入队操作:将输入元素赋值给 `rear` 索引处,并将 `queSize` 增加 1 。
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- 出队操作:只需将 `front` 增加 1 ,并将 `queSize` 减少 1 。
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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 $O(1)$ 。
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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。
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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”,而删除栈顶元素的操作叫做“出栈”。
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如下图所示,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”。
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使用链表来实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。
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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。
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如下图所示,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。
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=== "LinkedListStack"
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### 2. 基于数组的实现
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使用数组实现栈时,我们可以将数组的尾部作为栈顶。在这样的设计下,入栈与出栈操作就分别对应在数组尾部添加元素与删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
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使用数组实现栈时,我们可以将数组的尾部作为栈顶。如下图所示,入栈与出栈操作分别对应在数组尾部添加元素与删除元素,时间复杂度都为 $O(1)$ 。
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=== "ArrayStack"
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## 5.1.3 两种实现对比
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### 1. 支持操作
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**支持操作**
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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,但这已超出了栈的定义范畴,因此一般不会用到。
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### 2. 时间效率
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**时间效率**
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在基于数组的实现中,入栈和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变为 $O(n)$ 。
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- 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。
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- 基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现。
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### 3. 空间效率
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**空间效率**
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在初始化列表时,系统会为列表分配“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(例如 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**。
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