LeetCode刷题日记之设计循环双端队列

Posted 2021-09-13 梁潇一

这篇文章是对LeetCode641题设计循环双端队列思路进行记录。(PS:后续应该还会在写一篇，等我把双向链表实现搞清楚了，一个指针还能理清，两个指针pre和next看着就有点晕了，等我消化下。)

先看下题：

设计实现双端队列。
你的实现需要支持以下操作：

MyCircularDeque(k)：构造函数,双端队列的大小为k。
insertFront()：将一个元素添加到双端队列头部。 如果操作成功返回 true。
insertLast()：将一个元素添加到双端队列尾部。如果操作成功返回 true。
deleteFront()：从双端队列头部删除一个元素。 如果操作成功返回 true。
deleteLast()：从双端队列尾部删除一个元素。如果操作成功返回 true。
getFront()：从双端队列头部获得一个元素。如果双端队列为空，返回 -1。
getRear()：获得双端队列的最后一个元素。 如果双端队列为空，返回 -1。
isEmpty()：检查双端队列是否为空。
isFull()：检查双端队列是否满了。
示例：

MyCircularDeque circularDeque = new MycircularDeque(3); // 设置容量大小为3
circularDeque.insertLast(1); // 返回 true
circularDeque.insertLast(2); // 返回 true
circularDeque.insertFront(3); // 返回 true
circularDeque.insertFront(4); // 已经满了，返回 false
circularDeque.getRear(); // 返回 2
circularDeque.isFull(); // 返回 true
circularDeque.deleteLast(); // 返回 true
circularDeque.insertFront(4); // 返回 true
circularDeque.getFront(); // 返回 4

众所周知栈和队列都是限制性的数据结构，在某些业务场景经常用到，而栈和队列其实用两种基本的数据结构数组和链表都能实现的。今天我们先来看看如何用数组设计循环双端队列。

class MyCircularDeque {

    private int[] items;
    private int count;
    private int head;
    private int tail;

    public MyCircularDeque(int k) {
        this.count = k+1;
        this.items = new int[count];
        this.head = 0;
        this.tail = 0;
    }

    public boolean insertFront(int value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        head = (head - 1 + count) % count;
        items[head] = value;
        return true;
    }

    public boolean insertLast(int value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        items[tail] = value;
        tail = (tail + 1) % count;
        return true;
    }

    public boolean deleteFront() {
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        head = (head + 1) % count;
        return true;
    }

    public boolean deleteLast() {
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        tail = (tail - 1 + count) % count;
        return true;
    }

    public int getFront() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return items[head];
    }

    public int getRear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return items[(tail - 1 + count) % count];
    }

    public boolean isEmpty() {
        return head == tail;
    }

    public boolean isFull() {
        return (tail + 1) % count == head;
    }
}

首先循环队列你可以想象成一个环状，首尾是相连的，再来它的元素位置是随插入删除一直移动的，因此效率其实是偏低的，插入元素会涉及数据迁移，所以工业上的队列一般是用链表实现的。

然后解释下几个成员变量：

• items[],实际用来存储数据的数组
• count,整个数组的具体大小
• head，头指针所在的下标位置
• tail,尾指针所在的下标位置。这里需要注意的一点是tail这个位置实际上是不会存储数据的，最后一个元素的下标是(tail-1+count)%count所以会浪费一个位置。

设计这个我们首先考虑构造函数，因为有k个元素，而tail会多占一个位置，因此实际需要k+1的空间，head和tail初始值都是0.

接下来先别看插入删除这些，看两个基本函数，isEmpty()和isFull()，先把这两个定义清楚后在写其他函数会简单很多。

isEmpty()的条件其实很容易想到，就是head==tail;.

isFull()其实不太好想，满的条件就是tail和head相邻，只差一个元素，用代码表示就是 (tail+1)%count==head;.这里模上count的原因是因为tail+1可能超过count，这时候head其实就是在0的位置。循环队列的下标计算经常会用到%count的操作，这个需要记住。

这两个基本实现了在实现其他的就简单很多了。

insertFront（value）实现就是先判断队列是否满了，如果满了就返回false，否则将head-1存储的值设置成value。需要考虑当head=0的时候head-1是负数，所以需要head-1+count去将其变成正数在模上count。

insertLast（value）思路和上面差不多，你可以自己想一下。

deleteFront ()则是首先判断是否为空队列，为空直接返回false，否则将head+1，当然，为防止越界会用 (head+1)%count，这里实际上不需要在将items[head]=null，原因是我们访问数组元素都是通过head和tail，当head和tail访问不到那其实元素是什么都无所谓。你可能会说在插入的时候会不会产生影响，答案是不会，因为在插入的时候都伴随赋值操作，以前内存里什么值根本不影响。

deleteLast（）思路同上，然后在下标进行-1的时候都需要考虑越界，所以需要(tail-1+count)%count。

getFront() 判断是否为空队列，为空直接返回-1，否则直接返回Items[head]即可。

getRear() 判断是否为空队列，为空直接返回-1，和前面介绍的一样，tail是站位的，实际最后一个元素是在tail-1的位置，然后考虑越界，所以最后结果就是items[(tail-1+count)%count].

写在最后

数组实现会相比链表实现低效很多，因为数组在插入和删除会涉及后面数据的迁移，比较耗时。而链表实现则会快很多。