突破思想藩篱：深度剖析LeetCode 622——循环队列的奥秘

2024-01-20 13:44:55

前言

算法世界，浩瀚无垠，数据结构则是其中一颗璀璨的明珠。 队列，作为一种重要的数据结构，凭借其先进先出（FIFO）的特性，在各种场景中大放异彩。然而，当我们面对LeetCode 622这道经典难题时，如何设计一个循环队列，则需要我们对队列的理解更上一层楼。

循环队列的奥秘

循环队列与普通队列的最大区别在于它的环形结构，即队列的末尾与头部相连，形成一个闭环。这种巧妙的设计带来了许多优势：

空间利用率高： 循环队列可以充分利用队列空间，当队首指针移动到队列末尾时，可以从队列头部重新开始存储数据，避免了空间浪费。
实现简单： 循环队列的实现相对简单，不需要复杂的指针操作，只需两个指针即可实现队列的全部功能。
性能优异： 循环队列具有较好的性能，无论是入队还是出队操作，其时间复杂度均为 O(1)，这在某些高性能应用中非常重要。

设计循环队列

了解了循环队列的优势，我们再来看看如何设计一个循环队列。

首先，我们需要定义两个指针：队首指针front和队尾指针rear，它们分别指向队列的头部和尾部。然后，我们需要维护一个数组来存储队列中的元素。当队列为空时，队首指针和队尾指针都指向数组的第一个元素。当入队一个元素时，队尾指针向后移动一个位置，并将新元素存储在该位置。当出队一个元素时，队首指针向前移动一个位置，并将该位置的元素删除。

需要注意的是，由于循环队列的环形结构，队首指针和队尾指针可能会移动到数组的开头或结尾。因此，我们需要对它们进行取模操作，以确保它们始终指向数组中的有效位置。

具体实现

掌握了循环队列的设计思路，接下来我们就可以具体实现它了。

class MyCircularQueue:

    def __init__(self, k):
        """
        Initialize your data structure here. Set the size of the queue to be k.
        """
        self.queue = [None] * k
        self.head = 0
        self.tail = 0
        self.size = k

    def enQueue(self, value):
        """
        Insert an element into the circular queue. Return true if the operation is successful.
        """
        if self.isFull():
            return False

        self.queue[self.tail] = value
        self.tail = (self.tail + 1) % self.size
        return True

    def deQueue(self):
        """
        Delete an element from the circular queue. Return true if the operation is successful.
        """
        if self.isEmpty():
            return False

        self.queue[self.head] = None
        self.head = (self.head + 1) % self.size
        return True

    def Front(self):
        """
        Get the front item from the queue.
        """
        if self.isEmpty():
            return -1

        return self.queue[self.head]

    def Rear(self):
        """
        Get the last item from the queue.
        """
        if self.isEmpty():
            return -1

        return self.queue[(self.tail - 1) % self.size]

    def isEmpty(self):
        """
        Checks whether the circular queue is empty or not.
        """
        return self.head == self.tail

    def isFull(self):
        """
        Checks whether the circular queue is full or not.
        """
        return (self.tail + 1) % self.size == self.head