You can not select more than 25 topics Topics must start with a letter or number, can include dashes ('-') and can be up to 35 characters long.
hello-algo/chapter_stack_and_queue/deque.md

2037 lines
59 KiB

This file contains ambiguous Unicode characters!

This file contains ambiguous Unicode characters that may be confused with others in your current locale. If your use case is intentional and legitimate, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to highlight these characters.

---
comments: true
---
# 5.3.   双向队列
对于队列,我们只能在头部删除或在尾部添加元素,而「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。
![双向队列的操作](deque.assets/deque_operations.png)
<p align="center"> Fig. 双向队列的操作 </p>
## 5.3.1. &nbsp; 双向队列常用操作
双向队列的常用操作见下表,方法名需根据特定语言来确定。
<div class="center-table" markdown>
| 方法名 | 描述 | 时间复杂度 |
| ------------ | ---------------- | ---------- |
| pushFirst() | 将元素添加至队首 | $O(1)$ |
| pushLast() | 将元素添加至队尾 | $O(1)$ |
| pollFirst() | 删除队首元素 | $O(1)$ |
| pollLast() | 删除队尾元素 | $O(1)$ |
| peekFirst() | 访问队首元素 | $O(1)$ |
| peekLast() | 访问队尾元素 | $O(1)$ |
| size() | 获取队列的长度 | $O(1)$ |
| isEmpty() | 判断队列是否为空 | $O(1)$ |
</div>
相同地,我们可以直接使用编程语言实现好的双向队列类。
=== "Java"
```java title="deque.java"
/* 初始化双向队列 */
Deque<Integer> deque = new LinkedList<>();
/* 元素入队 */
deque.offerLast(2); // 添加至队尾
deque.offerLast(5);
deque.offerLast(4);
deque.offerFirst(3); // 添加至队首
deque.offerFirst(1);
/* 访问元素 */
int peekFirst = deque.peekFirst(); // 队首元素
int peekLast = deque.peekLast(); // 队尾元素
/* 元素出队 */
int pollFirst = deque.pollFirst(); // 队首元素出队
int pollLast = deque.pollLast(); // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
int size = deque.size();
/* 判断双向队列是否为空 */
boolean isEmpty = deque.isEmpty();
```
=== "C++"
```cpp title="deque.cpp"
/* 初始化双向队列 */
deque<int> deque;
/* 元素入队 */
deque.push_back(2); // 添加至队尾
deque.push_back(5);
deque.push_back(4);
deque.push_front(3); // 添加至队首
deque.push_front(1);
/* 访问元素 */
int front = deque.front(); // 队首元素
int back = deque.back(); // 队尾元素
/* 元素出队 */
deque.pop_front(); // 队首元素出队
deque.pop_back(); // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
int size = deque.size();
/* 判断双向队列是否为空 */
bool empty = deque.empty();
```
=== "Python"
```python title="deque.py"
""" 初始化双向队列 """
duque = deque()
""" 元素入队 """
duque.append(2) # 添加至队尾
duque.append(5)
duque.append(4)
duque.appendleft(3) # 添加至队首
duque.appendleft(1)
""" 访问元素 """
front = duque[0] # 队首元素
rear = duque[-1] # 队尾元素
""" 元素出队 """
pop_front = duque.popleft() # 队首元素出队
pop_rear = duque.pop() # 队尾元素出队
""" 获取双向队列的长度 """
size = len(duque)
""" 判断双向队列是否为空 """
is_empty = len(duque) == 0
```
=== "Go"
```go title="deque_test.go"
/* 初始化双向队列 */
// 在 Go 中,将 list 作为双向队列使用
deque := list.New()
/* 元素入队 */
deque.PushBack(2) // 添加至队尾
deque.PushBack(5)
deque.PushBack(4)
deque.PushFront(3) // 添加至队首
deque.PushFront(1)
/* 访问元素 */
front := deque.Front() // 队首元素
rear := deque.Back() // 队尾元素
/* 元素出队 */
deque.Remove(front) // 队首元素出队
deque.Remove(rear) // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
size := deque.Len()
/* 判断双向队列是否为空 */
isEmpty := deque.Len() == 0
```
=== "JavaScript"
```javascript title="deque.js"
/* 初始化双向队列 */
// JavaScript 没有内置的双端队列,只能把 Array 当作双端队列来使用
const deque = [];
/* 元素入队 */
deque.push(2);
deque.push(5);
deque.push(4);
// 请注意由于是数组unshift() 方法的时间复杂度为 O(n)
deque.unshift(3);
deque.unshift(1);
console.log("双向队列 deque = ", deque);
/* 访问元素 */
const peekFirst = deque[0];
console.log("队首元素 peekFirst = " + peekFirst);
const peekLast = deque[deque.length - 1];
console.log("队尾元素 peekLast = " + peekLast);
/* 元素出队 */
// 请注意由于是数组shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
const popFront = deque.shift();
console.log("队首出队元素 popFront = " + popFront + ",队首出队后 deque = " + deque);
const popBack = deque.pop();
console.log("队尾出队元素 popBack = " + popBack + ",队尾出队后 deque = " + deque);
/* 获取双向队列的长度 */
const size = deque.length;
console.log("双向队列长度 size = " + size);
/* 判断双向队列是否为空 */
const isEmpty = size === 0;
console.log("双向队列是否为空 = " + isEmpty);
```
=== "TypeScript"
```typescript title="deque.ts"
/* 初始化双向队列 */
// TypeScript 没有内置的双端队列,只能把 Array 当作双端队列来使用
const deque: number[] = [];
/* 元素入队 */
deque.push(2);
deque.push(5);
deque.push(4);
// 请注意由于是数组unshift() 方法的时间复杂度为 O(n)
deque.unshift(3);
deque.unshift(1);
console.log("双向队列 deque = ", deque);
/* 访问元素 */
const peekFirst: number = deque[0];
console.log("队首元素 peekFirst = " + peekFirst);
const peekLast: number = deque[deque.length - 1];
console.log("队尾元素 peekLast = " + peekLast);
/* 元素出队 */
// 请注意由于是数组shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
const popFront: number = deque.shift() as number;
console.log("队首出队元素 popFront = " + popFront + ",队首出队后 deque = " + deque);
const popBack: number = deque.pop() as number;
console.log("队尾出队元素 popBack = " + popBack + ",队尾出队后 deque = " + deque);
/* 获取双向队列的长度 */
const size: number = deque.length;
console.log("双向队列长度 size = " + size);
/* 判断双向队列是否为空 */
const isEmpty: boolean = size === 0;
console.log("双向队列是否为空 = " + isEmpty);
```
=== "C"
```c title="deque.c"
```
=== "C#"
```csharp title="deque.cs"
/* 初始化双向队列 */
// 在 C# 中,将链表 LinkedList 看作双向队列来使用
LinkedList<int> deque = new LinkedList<int>();
/* 元素入队 */
deque.AddLast(2); // 添加至队尾
deque.AddLast(5);
deque.AddLast(4);
deque.AddFirst(3); // 添加至队首
deque.AddFirst(1);
/* 访问元素 */
int peekFirst = deque.First.Value; // 队首元素
int peekLast = deque.Last.Value; // 队尾元素
/* 元素出队 */
deque.RemoveFirst(); // 队首元素出队
deque.RemoveLast(); // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
int size = deque.Count;
/* 判断双向队列是否为空 */
bool isEmpty = deque.Count == 0;
```
=== "Swift"
```swift title="deque.swift"
/* 初始化双向队列 */
// Swift 没有内置的双向队列类,可以把 Array 当作双向队列来使用
var deque: [Int] = []
/* 元素入队 */
deque.append(2) // 添加至队尾
deque.append(5)
deque.append(4)
deque.insert(3, at: 0) // 添加至队首
deque.insert(1, at: 0)
/* 访问元素 */
let peekFirst = deque.first! // 队首元素
let peekLast = deque.last! // 队尾元素
/* 元素出队 */
// 使用 Array 模拟时 pollFirst 的复杂度为 O(n)
let pollFirst = deque.removeFirst() // 队首元素出队
let pollLast = deque.removeLast() // 队尾元素出队
/* 获取双向队列的长度 */
let size = deque.count
/* 判断双向队列是否为空 */
let isEmpty = deque.isEmpty
```
=== "Zig"
```zig title="deque.zig"
```
## 5.3.2. &nbsp; 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。
### 基于双向链表的实现
回忆上节内容,由于可以方便地删除链表头结点(对应出队操作),以及在链表尾结点后添加新结点(对应入队操作),因此我们使用普通单向链表来实现队列。
而双向队列的头部和尾部都可以执行入队与出队操作,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。因此,双向队列需要使用「双向链表」来实现。
我们将双向链表的头结点和尾结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与删除结点。
=== "LinkedListDeque"
![基于链表实现双向队列的入队出队操作](deque.assets/linkedlist_deque.png)
=== "pushLast()"
![linkedlist_deque_push_last](deque.assets/linkedlist_deque_push_last.png)
=== "pushFirst()"
![linkedlist_deque_push_first](deque.assets/linkedlist_deque_push_first.png)
=== "pollLast()"
![linkedlist_deque_poll_last](deque.assets/linkedlist_deque_poll_last.png)
=== "pollFirst()"
![linkedlist_deque_poll_first](deque.assets/linkedlist_deque_poll_first.png)
以下是具体实现代码。
=== "Java"
```java title="linkedlist_deque.java"
/* 双向链表结点 */
class ListNode {
int val; // 结点值
ListNode next; // 后继结点引用(指针)
ListNode prev; // 前驱结点引用(指针)
ListNode(int val) {
this.val = val;
prev = next = null;
}
}
/* 基于双向链表实现的双向队列 */
class LinkedListDeque {
private ListNode front, rear; // 头结点 front ,尾结点 rear
private int queSize = 0; // 双向队列的长度
public LinkedListDeque() {
front = rear = null;
}
/* 获取双向队列的长度 */
public int size() {
return queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
public boolean isEmpty() {
return size() == 0;
}
/* 入队操作 */
private void push(int num, boolean isFront) {
ListNode node = new ListNode(num);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (isEmpty())
front = rear = node;
// 队首入队操作
else if (isFront) {
// 将 node 添加至链表头部
front.prev = node;
node.next = front;
front = node; // 更新头结点
// 队尾入队操作
} else {
// 将 node 添加至链表尾部
rear.next = node;
node.prev = rear;
rear = node; // 更新尾结点
}
queSize++; // 更新队列长度
}
/* 队首入队 */
public void pushFirst(int num) {
push(num, true);
}
/* 队尾入队 */
public void pushLast(int num) {
push(num, false);
}
/* 出队操作 */
private Integer poll(boolean isFront) {
// 若队列为空,直接返回 null
if (isEmpty())
return null;
int val;
// 队首出队操作
if (isFront) {
val = front.val; // 暂存头结点值
// 删除头结点
ListNode fNext = front.next;
if (fNext != null) {
fNext.prev = null;
front.next = null;
}
front = fNext; // 更新头结点
// 队尾出队操作
} else {
val = rear.val; // 暂存尾结点值
// 删除尾结点
ListNode rPrev = rear.prev;
if (rPrev != null) {
rPrev.next = null;
rear.prev = null;
}
rear = rPrev; // 更新尾结点
}
queSize--; // 更新队列长度
return val;
}
/* 队首出队 */
public Integer pollFirst() {
return poll(true);
}
/* 队尾出队 */
public Integer pollLast() {
return poll(false);
}
/* 访问队首元素 */
public Integer peekFirst() {
return isEmpty() ? null : front.val;
}
/* 访问队尾元素 */
public Integer peekLast() {
return isEmpty() ? null : rear.val;
}
/* 返回数组用于打印 */
public int[] toArray() {
ListNode node = front;
int[] res = new int[size()];
for (int i = 0; i < res.length; i++) {
res[i] = node.val;
node = node.next;
}
return res;
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="linkedlist_deque.cpp"
/* 双向链表结点 */
struct DoublyListNode {
int val; // 结点值
DoublyListNode *next; // 后继结点指针
DoublyListNode *prev; // 前驱结点指针
DoublyListNode(int val) : val(val), prev(nullptr), next(nullptr) {}
};
/* 基于双向链表实现的双向队列 */
class LinkedListDeque {
private:
DoublyListNode *front, *rear; // 头结点 front ,尾结点 rear
int queSize = 0; // 双向队列的长度
public:
/* 构造方法 */
LinkedListDeque() : front(nullptr), rear(nullptr) {}
/* 析构方法 */
~LinkedListDeque() {
// 释放内存
DoublyListNode *pre, *cur = front;
while (cur != nullptr) {
pre = cur;
cur = cur->next;
delete pre;
}
}
/* 获取双向队列的长度 */
int size() {
return queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
bool isEmpty() {
return size() == 0;
}
/* 入队操作 */
void push(int num, bool isFront) {
DoublyListNode *node = new DoublyListNode(num);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (isEmpty())
front = rear = node;
// 队首入队操作
else if (isFront) {
// 将 node 添加至链表头部
front->prev = node;
node->next = front;
front = node; // 更新头结点
// 队尾入队操作
} else {
// 将 node 添加至链表尾部
rear->next = node;
node->prev = rear;
rear = node; // 更新尾结点
}
queSize++; // 更新队列长度
}
/* 队首入队 */
void pushFirst(int num) {
push(num, true);
}
/* 队尾入队 */
void pushLast(int num) {
push(num, false);
}
/* 出队操作 */
int poll(bool isFront) {
// 若队列为空,直接返回 -1
if (isEmpty())
return -1;
int val;
// 队首出队操作
if (isFront) {
val = front->val; // 暂存头结点值
// 删除头结点
DoublyListNode *fNext = front->next;
if (fNext != nullptr) {
fNext->prev = nullptr;
front->next = nullptr;
}
front = fNext; // 更新头结点
// 队尾出队操作
} else {
val = rear->val; // 暂存尾结点值
// 删除尾结点
DoublyListNode *rPrev = rear->prev;
if (rPrev != nullptr) {
rPrev->next = nullptr;
rear->prev = nullptr;
}
rear = rPrev; // 更新尾结点
}
queSize--; // 更新队列长度
return val;
}
/* 队首出队 */
int pollFirst() {
return poll(true);
}
/* 队尾出队 */
int pollLast() {
return poll(false);
}
/* 访问队首元素 */
int peekFirst() {
return isEmpty() ? -1 : front->val;
}
/* 访问队尾元素 */
int peekLast() {
return isEmpty() ? -1 : rear->val;
}
/* 返回数组用于打印 */
vector<int> toVector() {
DoublyListNode *node = front;
vector<int> res(size());
for (int i = 0; i < res.size(); i++) {
res[i] = node->val;
node = node->next;
}
return res;
}
};
```
=== "Python"
```python title="linkedlist_deque.py"
class ListNode:
""" 双向链表结点 """
def __init__(self, val):
""" 构造方法 """
self.val = val
self.next = None # 后继结点引用(指针)
self.prev = None # 前驱结点引用(指针)
class LinkedListDeque:
""" 基于双向链表实现的双向队列 """
def __init__(self):
""" 构造方法 """
self.front, self.rear = None, None # 头结点 front ,尾结点 rear
self.__size = 0 # 双向队列的长度
def size(self):
""" 获取双向队列的长度 """
return self.__size
def is_empty(self):
""" 判断双向队列是否为空 """
return self.size() == 0
def push(self, num, is_front):
""" 入队操作 """
node = ListNode(num)
# 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if self.is_empty():
self.front = self.rear = node
# 队首入队操作
elif is_front:
# 将 node 添加至链表头部
self.front.prev = node
node.next = self.front
self.front = node # 更新头结点
# 队尾入队操作
else:
# 将 node 添加至链表尾部
self.rear.next = node
node.prev = self.rear
self.rear = node # 更新尾结点
self.__size += 1 # 更新队列长度
def push_first(self, num):
""" 队首入队 """
self.push(num, True)
def push_last(self, num):
""" 队尾入队 """
self.push(num, False)
def poll(self, is_front):
""" 出队操作 """
# 若队列为空,直接返回 None
if self.is_empty():
return None
# 队首出队操作
if is_front:
val = self.front.val # 暂存头结点值
# 删除头结点
fnext = self.front.next
if fnext != None:
fnext.prev = None
self.front.next = None
self.front = fnext # 更新头结点
# 队尾出队操作
else:
val = self.rear.val # 暂存尾结点值
# 删除尾结点
rprev = self.rear.prev
if rprev != None:
rprev.next = None
self.rear.prev = None
self.rear = rprev # 更新尾结点
self.__size -= 1 # 更新队列长度
return val
def poll_first(self):
""" 队首出队 """
return self.poll(True)
def poll_last(self):
""" 队尾出队 """
return self.poll(False)
def peek_first(self):
""" 访问队首元素 """
return None if self.is_empty() else self.front.val
def peek_last(self):
""" 访问队尾元素 """
return None if self.is_empty() else self.rear.val
def to_array(self):
""" 返回数组用于打印 """
node = self.front
res = [0] * self.size()
for i in range(self.size()):
res[i] = node.val
node = node.next
return res
```
=== "Go"
```go title="linkedlist_deque.go"
/* 基于双向链表实现的双向队列 */
type linkedListDeque struct {
// 使用内置包 list
data *list.List
}
/* 初始化双端队列 */
func newLinkedListDeque() *linkedListDeque {
return &linkedListDeque{
data: list.New(),
}
}
/* 队首元素入队 */
func (s *linkedListDeque) pushFirst(value any) {
s.data.PushFront(value)
}
/* 队尾元素入队 */
func (s *linkedListDeque) pushLast(value any) {
s.data.PushBack(value)
}
/* 队首元素出队 */
func (s *linkedListDeque) pollFirst() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Front()
s.data.Remove(e)
return e.Value
}
/* 队尾元素出队 */
func (s *linkedListDeque) pollLast() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Back()
s.data.Remove(e)
return e.Value
}
/* 访问队首元素 */
func (s *linkedListDeque) peekFirst() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Front()
return e.Value
}
/* 访问队尾元素 */
func (s *linkedListDeque) peekLast() any {
if s.isEmpty() {
return nil
}
e := s.data.Back()
return e.Value
}
/* 获取队列的长度 */
func (s *linkedListDeque) size() int {
return s.data.Len()
}
/* 判断队列是否为空 */
func (s *linkedListDeque) isEmpty() bool {
return s.data.Len() == 0
}
/* 获取 List 用于打印 */
func (s *linkedListDeque) toList() *list.List {
return s.data
}
```
=== "JavaScript"
```javascript title="linkedlist_deque.js"
/* 双向链表结点 */
class ListNode {
prev; // 前驱结点引用 (指针)
next; // 后继结点引用 (指针)
val; // 结点值
constructor(val) {
this.val = val;
this.next = null;
this.prev = null;
}
}
/* 基于双向链表实现的双向队列 */
class LinkedListDeque {
#front; // 头结点 front
#rear; // 尾结点 rear
#queSize; // 双向队列的长度
constructor() {
this.#front = null;
this.#rear = null;
this.#queSize = 0;
}
/* 队尾入队操作 */
pushLast(val) {
const node = new ListNode(val);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (this.#queSize === 0) {
this.#front = node;
this.#rear = node;
} else {
// 将 node 添加至链表尾部
this.#rear.next = node;
node.prev = this.#rear;
this.#rear = node; // 更新尾结点
}
this.#queSize++;
}
/* 队首入队操作 */
pushFirst(val) {
const node = new ListNode(val);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (this.#queSize === 0) {
this.#front = node;
this.#rear = node;
} else {
// 将 node 添加至链表头部
this.#front.prev = node;
node.next = this.#front;
this.#front = node; // 更新头结点
}
this.#queSize++;
}
/* 队尾出队操作 */
pollLast() {
if (this.#queSize === 0) {
return null;
}
const value = this.#rear.val; // 存储尾结点值
// 删除尾结点
let temp = this.#rear.prev;
if (temp !== null) {
temp.next = null;
this.#rear.prev = null;
}
this.#rear = temp; // 更新尾结点
this.#queSize--;
return value;
}
/* 队首出队操作 */
pollFirst() {
if (this.#queSize === 0) {
return null;
}
const value = this.#front.val; // 存储尾结点值
// 删除头结点
let temp = this.#front.next;
if (temp !== null) {
temp.prev = null;
this.#front.next = null;
}
this.#front = temp; // 更新头结点
this.#queSize--;
return value;
}
/* 访问队尾元素 */
peekLast() {
return this.#queSize === 0 ? null : this.#rear.val;
}
/* 访问队首元素 */
peekFirst() {
return this.#queSize === 0 ? null : this.#front.val;
}
/* 获取双向队列的长度 */
size() {
return this.#queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
isEmpty() {
return this.#queSize === 0;
}
/* 打印双向队列 */
print() {
const arr = [];
let temp = this.#front;
while (temp !== null) {
arr.push(temp.val);
temp = temp.next;
}
console.log("[" + arr.join(", ") + "]");
}
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="linkedlist_deque.ts"
/* 双向链表结点 */
class ListNode {
prev: ListNode; // 前驱结点引用 (指针)
next: ListNode; // 后继结点引用 (指针)
val: number; // 结点值
constructor(val: number) {
this.val = val;
this.next = null;
this.prev = null;
}
}
/* 基于双向链表实现的双向队列 */
class LinkedListDeque {
private front: ListNode; // 头结点 front
private rear: ListNode; // 尾结点 rear
private queSize: number; // 双向队列的长度
constructor() {
this.front = null;
this.rear = null;
this.queSize = 0;
}
/* 队尾入队操作 */
pushLast(val: number): void {
const node: ListNode = new ListNode(val);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (this.queSize === 0) {
this.front = node;
this.rear = node;
} else {
// 将 node 添加至链表尾部
this.rear.next = node;
node.prev = this.rear;
this.rear = node; // 更新尾结点
}
this.queSize++;
}
/* 队首入队操作 */
pushFirst(val: number): void {
const node: ListNode = new ListNode(val);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (this.queSize === 0) {
this.front = node;
this.rear = node;
} else {
// 将 node 添加至链表头部
this.front.prev = node;
node.next = this.front;
this.front = node; // 更新头结点
}
this.queSize++;
}
/* 队尾出队操作 */
pollLast(): number {
if (this.queSize === 0) {
return null;
}
const value: number = this.rear.val; // 存储尾结点值
// 删除尾结点
let temp: ListNode = this.rear.prev;
if (temp !== null) {
temp.next = null;
this.rear.prev = null;
}
this.rear = temp; // 更新尾结点
this.queSize--;
return value;
}
/* 队首出队操作 */
pollFirst(): number {
if (this.queSize === 0) {
return null;
}
const value: number = this.front.val; // 存储尾结点值
// 删除头结点
let temp: ListNode = this.front.next;
if (temp !== null) {
temp.prev = null;
this.front.next = null;
}
this.front = temp; // 更新头结点
this.queSize--;
return value;
}
/* 访问队尾元素 */
peekLast(): number {
return this.queSize === 0 ? null : this.rear.val;
}
/* 访问队首元素 */
peekFirst(): number {
return this.queSize === 0 ? null : this.front.val;
}
/* 获取双向队列的长度 */
size(): number {
return this.queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
isEmpty(): boolean {
return this.queSize === 0;
}
/* 打印双向队列 */
print(): void {
const arr: number[] = [];
let temp: ListNode = this.front;
while (temp !== null) {
arr.push(temp.val);
temp = temp.next;
}
console.log("[" + arr.join(", ") + "]");
}
}
```
=== "C"
```c title="linkedlist_deque.c"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
=== "C#"
```csharp title="linkedlist_deque.cs"
[class]{ListNode}-[func]{}
[class]{LinkedListDeque}-[func]{}
```
=== "Swift"
```swift title="linkedlist_deque.swift"
/* 双向链表结点 */
class ListNode {
var val: Int // 结点值
var next: ListNode? // 后继结点引用(指针)
var prev: ListNode? // 前驱结点引用(指针)
init(val: Int) {
self.val = val
}
}
/* 基于双向链表实现的双向队列 */
class LinkedListDeque {
private var front: ListNode? // 头结点 front
private var rear: ListNode? // 尾结点 rear
private var queSize: Int // 双向队列的长度
init() {
queSize = 0
}
/* 获取双向队列的长度 */
func size() -> Int {
queSize
}
/* 判断双向队列是否为空 */
func isEmpty() -> Bool {
size() == 0
}
/* 入队操作 */
private func push(num: Int, isFront: Bool) {
let node = ListNode(val: num)
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if isEmpty() {
front = node
rear = node
}
// 队首入队操作
else if isFront {
// 将 node 添加至链表头部
front?.prev = node
node.next = front
front = node // 更新头结点
}
// 队尾入队操作
else {
// 将 node 添加至链表尾部
rear?.next = node
node.prev = rear
rear = node // 更新尾结点
}
queSize += 1 // 更新队列长度
}
/* 队首入队 */
func pushFirst(num: Int) {
push(num: num, isFront: true)
}
/* 队尾入队 */
func pushLast(num: Int) {
push(num: num, isFront: false)
}
/* 出队操作 */
private func poll(isFront: Bool) -> Int {
if isEmpty() {
fatalError("双向队列为空")
}
let val: Int
// 队首出队操作
if isFront {
val = front!.val // 暂存头结点值
// 删除头结点
let fNext = front?.next
if fNext != nil {
fNext?.prev = nil
front?.next = nil
}
front = fNext // 更新头结点
}
// 队尾出队操作
else {
val = rear!.val // 暂存尾结点值
// 删除尾结点
let rPrev = rear?.prev
if rPrev != nil {
rPrev?.next = nil
rear?.prev = nil
}
rear = rPrev // 更新尾结点
}
queSize -= 1 // 更新队列长度
return val
}
/* 队首出队 */
func pollFirst() -> Int {
poll(isFront: true)
}
/* 队尾出队 */
func pollLast() -> Int {
poll(isFront: false)
}
/* 访问队首元素 */
func peekFirst() -> Int? {
isEmpty() ? nil : front?.val
}
/* 访问队尾元素 */
func peekLast() -> Int? {
isEmpty() ? nil : rear?.val
}
/* 返回数组用于打印 */
func toArray() -> [Int] {
var node = front
var res = Array(repeating: 0, count: size())
for i in res.indices {
res[i] = node!.val
node = node?.next
}
return res
}
}
```
=== "Zig"
```zig title="linkedlist_deque.zig"
// 双向链表结点
fn ListNode(comptime T: type) type {
return struct {
const Self = @This();
val: T = undefined, // 结点值
next: ?*Self = null, // 后继结点引用(指针)
prev: ?*Self = null, // 前驱结点引用(指针)
// Initialize a list node with specific value
pub fn init(self: *Self, x: i32) void {
self.val = x;
self.next = null;
self.prev = null;
}
};
}
// 基于双向链表实现的双向队列
fn LinkedListDeque(comptime T: type) type {
return struct {
const Self = @This();
front: ?*ListNode(T) = null, // 头结点 front
rear: ?*ListNode(T) = null, // 尾结点 rear
deqSize: usize = 0, // 双向队列的长度
mem_arena: ?std.heap.ArenaAllocator = null,
mem_allocator: std.mem.Allocator = undefined, // 内存分配器
// 构造方法(分配内存+初始化队列)
pub fn init(self: *Self, allocator: std.mem.Allocator) !void {
if (self.mem_arena == null) {
self.mem_arena = std.heap.ArenaAllocator.init(allocator);
self.mem_allocator = self.mem_arena.?.allocator();
}
self.front = null;
self.rear = null;
self.deqSize = 0;
}
// 析构方法(释放内存)
pub fn deinit(self: *Self) void {
if (self.mem_arena == null) return;
self.mem_arena.?.deinit();
}
// 获取双向队列的长度
pub fn size(self: *Self) usize {
return self.deqSize;
}
// 判断双向队列是否为空
pub fn isEmpty(self: *Self) bool {
return self.size() == 0;
}
// 入队操作
pub fn push(self: *Self, num: T, isFront: bool) !void {
var node = try self.mem_allocator.create(ListNode(T));
node.init(num);
// 若链表为空,则令 front, rear 都指向 node
if (self.isEmpty()) {
self.front = node;
self.rear = node;
// 队首入队操作
} else if (isFront) {
// 将 node 添加至链表头部
self.front.?.prev = node;
node.next = self.front;
self.front = node; // 更新头结点
// 队尾入队操作
} else {
// 将 node 添加至链表尾部
self.rear.?.next = node;
node.prev = self.rear;
self.rear = node; // 更新尾结点
}
self.deqSize += 1; // 更新队列长度
}
// 队首入队
pub fn pushFirst(self: *Self, num: T) !void {
try self.push(num, true);
}
// 队尾入队
pub fn pushLast(self: *Self, num: T) !void {
try self.push(num, false);
}
// 出队操作
pub fn poll(self: *Self, isFront: bool) T {
if (self.isEmpty()) @panic("双向队列为空");
var val: T = undefined;
// 队首出队操作
if (isFront) {
val = self.front.?.val; // 暂存头结点值
// 删除头结点
var fNext = self.front.?.next;
if (fNext != null) {
fNext.?.prev = null;
self.front.?.next = null;
}
self.front = fNext; // 更新头结点
// 队尾出队操作
} else {
val = self.rear.?.val; // 暂存尾结点值
// 删除尾结点
var rPrev = self.rear.?.prev;
if (rPrev != null) {
rPrev.?.next = null;
self.rear.?.prev = null;
}
self.rear = rPrev; // 更新尾结点
}
self.deqSize -= 1; // 更新队列长度
return val;
}
// 队首出队
pub fn pollFirst(self: *Self) T {
return self.poll(true);
}
// 队尾出队
pub fn pollLast(self: *Self) T {
return self.poll(false);
}
// 访问队首元素
pub fn peekFirst(self: *Self) T {
if (self.isEmpty()) @panic("双向队列为空");
return self.front.?.val;
}
// 访问队尾元素
pub fn peekLast(self: *Self) T {
if (self.isEmpty()) @panic("双向队列为空");
return self.rear.?.val;
}
// 将链表转换为数组
pub fn toArray(self: *Self) ![]T {
var node = self.front;
var res = try self.mem_allocator.alloc(T, self.size());
std.mem.set(T, res, @as(T, 0));
var i: usize = 0;
while (i < res.len) : (i += 1) {
res[i] = node.?.val;
node = node.?.next;
}
return res;
}
// 打印双向队列
pub fn print(self: *Self) !void {
var nums = try self.toArray();
std.debug.print("[", .{});
if (nums.len > 0) {
for (nums) |num, j| {
std.debug.print("{}{s}", .{num, if (j == nums.len - 1) "]" else " <-> " });
}
} else {
std.debug.print("]", .{});
}
}
};
}
```
### 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。
=== "ArrayDeque"
![基于数组实现双向队列的入队出队操作](deque.assets/array_deque.png)
=== "pushLast()"
![array_deque_push_last](deque.assets/array_deque_push_last.png)
=== "pushFirst()"
![array_deque_push_first](deque.assets/array_deque_push_first.png)
=== "pollLast()"
![array_deque_poll_last](deque.assets/array_deque_poll_last.png)
=== "pollFirst()"
![array_deque_poll_first](deque.assets/array_deque_poll_first.png)
以下是具体实现代码。
=== "Java"
```java title="array_deque.java"
/* 基于环形数组实现的双向队列 */
class ArrayDeque {
private int[] nums; // 用于存储双向队列元素的数组
private int front; // 队首指针,指向队首元素
private int queSize; // 双向队列长度
/* 构造方法 */
public ArrayDeque(int capacity) {
this.nums = new int[capacity];
front = queSize = 0;
}
/* 获取双向队列的容量 */
public int capacity() {
return nums.length;
}
/* 获取双向队列的长度 */
public int size() {
return queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
public boolean isEmpty() {
return queSize == 0;
}
/* 计算环形数组索引 */
private int index(int i) {
// 通过取余操作实现数组首尾相连
// 当 i 越过数组尾部后,回到头部
// 当 i 越过数组头部后,回到尾部
return (i + capacity()) % capacity();
}
/* 队首入队 */
public void pushFirst(int num) {
if (queSize == capacity()) {
System.out.println("双向队列已满");
return;
}
// 队首指针向左移动一位
// 通过取余操作,实现 front 越过数组头部后回到尾部
front = index(front - 1);
// 将 num 添加至队首
nums[front] = num;
queSize++;
}
/* 队尾入队 */
public void pushLast(int num) {
if (queSize == capacity()) {
System.out.println("双向队列已满");
return;
}
// 计算尾指针,指向队尾索引 + 1
int rear = index(front + queSize);
// 将 num 添加至队尾
nums[rear] = num;
queSize++;
}
/* 队首出队 */
public int pollFirst() {
int num = peekFirst();
// 队首指针向后移动一位
front = index(front + 1);
queSize--;
return num;
}
/* 队尾出队 */
public int pollLast() {
int num = peekLast();
queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
public int peekFirst() {
if (isEmpty())
throw new EmptyStackException();
return nums[front];
}
/* 访问队尾元素 */
public int peekLast() {
if (isEmpty())
throw new EmptyStackException();
// 计算尾元素索引
int last = index(front + queSize - 1);
return nums[last];
}
/* 返回数组用于打印 */
public int[] toArray() {
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
int[] res = new int[queSize];
for (int i = 0, j = front; i < queSize; i++, j++) {
res[i] = nums[index(j)];
}
return res;
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="array_deque.cpp"
/* 基于环形数组实现的双向队列 */
class ArrayDeque {
private:
vector<int> nums; // 用于存储双向队列元素的数组
int front; // 队首指针,指向队首元素
int queSize; // 双向队列长度
public:
/* 构造方法 */
ArrayDeque(int capacity) {
nums.resize(capacity);
front = queSize = 0;
}
/* 获取双向队列的容量 */
int capacity() {
return nums.size();
}
/* 获取双向队列的长度 */
int size() {
return queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
bool isEmpty() {
return queSize == 0;
}
/* 计算环形数组索引 */
int index(int i) {
// 通过取余操作实现数组首尾相连
// 当 i 越过数组尾部后,回到头部
// 当 i 越过数组头部后,回到尾部
return (i + capacity()) % capacity();
}
/* 队首入队 */
void pushFirst(int num) {
if (queSize == capacity()) {
cout << "双向队列已满" << endl;
return;
}
// 队首指针向左移动一位
// 通过取余操作,实现 front 越过数组头部后回到尾部
front = index(front - 1);
// num 添加至队首
nums[front] = num;
queSize++;
}
/* 队尾入队 */
void pushLast(int num) {
if (queSize == capacity()) {
cout << "双向队列已满" << endl;
return;
}
// 计算尾指针,指向队尾索引 + 1
int rear = index(front + queSize);
// num 添加至队尾
nums[rear] = num;
queSize++;
}
/* 队首出队 */
int pollFirst() {
int num = peekFirst();
// 队首指针向后移动一位
front = index(front + 1);
queSize--;
return num;
}
/* 队尾出队 */
int pollLast() {
int num = peekLast();
queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
int peekFirst() {
if (isEmpty())
throw out_of_range("双向队列为空");
return nums[front];
}
/* 访问队尾元素 */
int peekLast() {
if (isEmpty())
throw out_of_range("双向队列为空");
// 计算尾元素索引
int last = index(front + queSize - 1);
return nums[last];
}
/* 返回数组用于打印 */
vector<int> toVector() {
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
vector<int> res(queSize);
for (int i = 0, j = front; i < queSize; i++, j++) {
res[i] = nums[index(j)];
}
return res;
}
};
```
=== "Python"
```python title="array_deque.py"
class ArrayDeque:
""" 基于环形数组实现的双向队列 """
def __init__(self, capacity):
""" 构造方法 """
self.nums = [0] * capacity
self.front = 0
self.que_size = 0
def capacity(self):
""" 获取双向队列的容量 """
return len(self.nums)
def size(self):
""" 获取双向队列的长度 """
return self.que_size
def is_empty(self):
""" 判断双向队列是否为空 """
return self.que_size == 0
def index(self, i):
""" 计算环形数组索引 """
# 通过取余操作实现数组首尾相连
# i 越过数组尾部后,回到头部
# i 越过数组头部后,回到尾部
return (i + self.capacity()) % self.capacity()
def push_first(self, num):
""" 队首入队 """
if self.que_size == self.capacity():
print("双向队列已满")
return
# 队首指针向左移动一位
# 通过取余操作,实现 front 越过数组头部后回到尾部
self.front = self.index(self.front-1)
# num 添加至队首
self.nums[self.front] = num
self.que_size += 1
def push_last(self, num):
""" 队尾入队 """
if self.que_size == self.capacity():
print("双向队列已满")
return
# 计算尾指针,指向队尾索引 + 1
rear = self.index(self.front + self.que_size)
# num 添加至队尾
self.nums[rear] = num
self.que_size += 1
def poll_first(self):
""" 队首出队 """
num = self.peek_first()
# 队首指针向后移动一位
self.front = self.index(self.front+1)
self.que_size -= 1
return num
def poll_last(self):
""" 队尾出队 """
num = self.peek_last()
self.que_size -= 1
return num
def peek_first(self):
""" 访问队首元素 """
assert not self.is_empty(), "双向队列为空"
return self.nums[self.front]
def peek_last(self):
""" 访问队尾元素 """
assert not self.is_empty(), "双向队列为空"
# 计算尾元素索引
last = self.index(self.front + self.que_size - 1)
return self.nums[last]
def to_array(self):
""" 返回数组用于打印 """
# 仅转换有效长度范围内的列表元素
res = []
for i in range(self.que_size):
res.append(self.nums[self.index(self.front+i)])
return res
```
=== "Go"
```go title="array_deque.go"
[class]{ArrayDeque}-[func]{}
```
=== "JavaScript"
```javascript title="array_deque.js"
/* 基于环形数组实现的双向队列 */
class ArrayDeque {
#nums; // 用于存储双向队列元素的数组
#front; // 队首指针,指向队首元素
#queSize; // 双向队列长度
/* 构造方法 */
constructor(capacity) {
this.#nums = new Array(capacity);
this.#front = 0;
this.#queSize = 0;
}
/* 获取双向队列的容量 */
capacity() {
return this.#nums.length;
}
/* 获取双向队列的长度 */
size() {
return this.#queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
isEmpty() {
return this.#queSize === 0;
}
/* 计算环形数组索引 */
index(i) {
// 通过取余操作实现数组首尾相连
// i 越过数组尾部后,回到头部
// i 越过数组头部后,回到尾部
return (i + this.capacity()) % this.capacity();
}
/* 队首入队 */
pushFirst(num) {
if (this.#queSize === this.capacity()) {
console.log("双向队列已满");
return;
}
// 队首指针向左移动一位
// 通过取余操作,实现 front 越过数组头部后回到尾部
this.#front = this.index(this.#front - 1);
// num 添加至队首
this.#nums[this.#front] = num;
this.#queSize++;
}
/* 队尾入队 */
pushLast(num) {
if (this.#queSize === this.capacity()) {
console.log("双向队列已满");
return;
}
// 计算尾指针,指向队尾索引 + 1
const rear = this.index(this.#front + this.#queSize);
// num 添加至队尾
this.#nums[rear] = num;
this.#queSize++;
}
/* 队首出队 */
pollFirst() {
const num = this.peekFirst();
// 队首指针向后移动一位
this.#front = this.index(this.#front + 1);
this.#queSize--;
return num;
}
/* 队尾出队 */
pollLast() {
const num = this.peekLast();
this.#queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
peekFirst() {
if (this.isEmpty())
throw new Error("The Deque Is Empty.");
return this.#nums[this.#front];
}
/* 访问队尾元素 */
peekLast() {
if (this.isEmpty())
throw new Error("The Deque Is Empty.");
// 计算尾元素索引
const last = this.index(this.#front + this.#queSize - 1);
return this.#nums[last];
}
/* 返回数组用于打印 */
toArray() {
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
const res = [];
for (let i = 0, j = this.#front; i < this.#queSize; i++, j++) {
res[i] = this.#nums[this.index(j)];
}
return res;
}
}
```
=== "TypeScript"
```typescript title="array_deque.ts"
/* 基于环形数组实现的双向队列 */
class ArrayDeque {
private nums: number[]; // 用于存储双向队列元素的数组
private front: number; // 队首指针,指向队首元素
private queSize: number; // 双向队列长度
/* 构造方法 */
constructor(capacity: number) {
this.nums = new Array(capacity);
this.front = 0;
this.queSize = 0;
}
/* 获取双向队列的容量 */
capacity(): number {
return this.nums.length;
}
/* 获取双向队列的长度 */
size(): number {
return this.queSize;
}
/* 判断双向队列是否为空 */
isEmpty(): boolean {
return this.queSize === 0;
}
/* 计算环形数组索引 */
index(i: number): number {
// 通过取余操作实现数组首尾相连
// i 越过数组尾部后,回到头部
// i 越过数组头部后,回到尾部
return (i + this.capacity()) % this.capacity();
}
/* 队首入队 */
pushFirst(num: number): void {
if (this.queSize === this.capacity()) {
console.log("双向队列已满");
return;
}
// 队首指针向左移动一位
// 通过取余操作,实现 front 越过数组头部后回到尾部
this.front = this.index(this.front - 1);
// num 添加至队首
this.nums[this.front] = num;
this.queSize++;
}
/* 队尾入队 */
pushLast(num: number): void {
if (this.queSize === this.capacity()) {
console.log("双向队列已满");
return;
}
// 计算尾指针,指向队尾索引 + 1
const rear: number = this.index(this.front + this.queSize);
// num 添加至队尾
this.nums[rear] = num;
this.queSize++;
}
/* 队首出队 */
pollFirst(): number {
const num: number = this.peekFirst();
// 队首指针向后移动一位
this.front = this.index(this.front + 1);
this.queSize--;
return num;
}
/* 队尾出队 */
pollLast(): number {
const num: number = this.peekLast();
this.queSize--;
return num;
}
/* 访问队首元素 */
peekFirst(): number {
if (this.isEmpty())
throw new Error("The Deque Is Empty.");
return this.nums[this.front];
}
/* 访问队尾元素 */
peekLast(): number {
if (this.isEmpty())
throw new Error("The Deque Is Empty.");
// 计算尾元素索引
const last = this.index(this.front + this.queSize - 1);
return this.nums[last];
}
/* 返回数组用于打印 */
toArray(): number[] {
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
const res: number[] = [];
for (let i = 0, j = this.front; i < this.queSize; i++, j++) {
res[i] = this.nums[this.index(j)];
}
return res;
}
}
```
=== "C"
```c title="array_deque.c"
[class]{ArrayDeque}-[func]{}
```
=== "C#"
```csharp title="array_deque.cs"
[class]{ArrayDeque}-[func]{}
```
=== "Swift"
```swift title="array_deque.swift"
/* 基于环形数组实现的双向队列 */
class ArrayDeque {
private var nums: [Int] // 用于存储双向队列元素的数组
private var front: Int // 队首指针,指向队首元素
private var queSize: Int // 双向队列长度
/* 构造方法 */
init(capacity: Int) {
nums = Array(repeating: 0, count: capacity)
front = 0
queSize = 0
}
/* 获取双向队列的容量 */
func capacity() -> Int {
nums.count
}
/* 获取双向队列的长度 */
func size() -> Int {
queSize
}
/* 判断双向队列是否为空 */
func isEmpty() -> Bool {
size() == 0
}
/* 计算环形数组索引 */
private func index(i: Int) -> Int {
// 通过取余操作实现数组首尾相连
// 当 i 越过数组尾部后,回到头部
// 当 i 越过数组头部后,回到尾部
(i + capacity()) % capacity()
}
/* 队首入队 */
func pushFirst(num: Int) {
if size() == capacity() {
print("双向队列已满")
return
}
// 队首指针向左移动一位
// 通过取余操作,实现 front 越过数组头部后回到尾部
front = index(i: front - 1)
// 将 num 添加至队首
nums[front] = num
queSize += 1
}
/* 队尾入队 */
func pushLast(num: Int) {
if size() == capacity() {
print("双向队列已满")
return
}
// 计算尾指针,指向队尾索引 + 1
let rear = index(i: front + size())
// 将 num 添加至队尾
nums[rear] = num
queSize += 1
}
/* 队首出队 */
func pollFirst() -> Int {
let num = peekFirst()
// 队首指针向后移动一位
front = index(i: front + 1)
queSize -= 1
return num
}
/* 队尾出队 */
func pollLast() -> Int {
let num = peekLast()
queSize -= 1
return num
}
/* 访问队首元素 */
func peekFirst() -> Int {
if isEmpty() {
fatalError("双向队列为空")
}
return nums[front]
}
/* 访问队尾元素 */
func peekLast() -> Int {
if isEmpty() {
fatalError("双向队列为空")
}
// 计算尾元素索引
let last = index(i: front + size() - 1)
return nums[last]
}
/* 返回数组用于打印 */
func toArray() -> [Int] {
// 仅转换有效长度范围内的列表元素
var res = Array(repeating: 0, count: size())
for (i, j) in sequence(first: (0, front), next: { $0 < self.size() - 1 ? ($0 + 1, $1 + 1) : nil }) {
res[i] = nums[index(i: j)]
}
return res
}
}
```
=== "Zig"
```zig title="array_deque.zig"
[class]{ArrayDeque}-[func]{}
```