揭开leetcode 641：构建高效循环双端队列的奥秘

前端

2023-11-19 23:08:28

在算法世界中，队列是一种常见的数据结构，允许我们按照先进先出（FIFO）的原则管理数据元素。而双端队列（Deque）则更胜一筹，它不仅支持在队列末尾添加和删除元素，还能在队列头部进行这些操作。

本文将带你深入探究 leetcode 641 题，它要求我们设计一个循环双端队列，这意味着队列在达到容量后会循环利用空间。我们将从问题定义入手，逐步揭开设计高效循环双端队列的奥秘。

理解题目要求

leetcode 641 题给出的任务是设计一个循环双端队列，它需要满足以下要求：

初始化： 构造函数需要一个整数参数 k，指定队列的容量。
入队： appendLeft 和 appendRight 方法分别在队列的头部和尾部添加一个元素。
出队： deleteLeft 和 deleteRight 方法分别从队列的头部和尾部删除一个元素。
获取元素： peekLeft 和 peekRight 方法分别返回队列头部和尾部的元素，但不删除它们。
检查是否为空： isEmpty 方法检查队列是否为空。
循环利用： 当队列达到容量 k 时，需要循环利用空间，覆盖掉队列头部的元素。

高效的设计策略

要高效地实现循环双端队列，我们需要精心设计数据结构和算法。以下是一些关键策略：

数组存储： 使用数组存储队列元素，并通过两个指针（head 和 tail）追踪队列的头部和尾部位置。
循环索引： 当 head 或 tail 指针达到数组末尾时，将其重置为数组开头，形成循环队列。
容量控制： 引入一个 size 变量来记录队列中实际元素的数量。当队列达到容量时，循环利用头部空间。
算法优化： 通过在指针操作中使用模运算（%），优化算法复杂度，减少时间开销。

代码实现

以下是使用上述策略实现的循环双端队列代码：

class CircularDeque:

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

    def insertFront(self, value: int) -> bool:
        """
        Adds an item at the front of Deque. Return true if the operation is successful.
        """
        if self.isFull():
            return False
        self.head = (self.head - 1) % len(self.queue)
        self.queue[self.head] = value
        self.size += 1
        return True

    def insertLast(self, value: int) -> bool:
        """
        Adds an item at the rear of Deque. Return true if the operation is successful.
        """
        if self.isFull():
            return False
        self.queue[self.tail] = value
        self.tail = (self.tail + 1) % len(self.queue)
        self.size += 1
        return True

    def deleteFront(self) -> bool:
        """
        Deletes an item from the front of Deque. Return true if the operation is successful.
        """
        if self.isEmpty():
            return False
        self.queue[self.head] = None
        self.head = (self.head + 1) % len(self.queue)
        self.size -= 1
        return True

    def deleteLast(self) -> bool:
        """
        Deletes an item from the rear of Deque. Return true if the operation is successful.
        """
        if self.isEmpty():
            return False
        self.tail = (self.tail - 1) % len(self.queue)
        self.queue[self.tail] = None
        self.size -= 1
        return True

    def getFront(self) -> int:
        """
        Get the front item from the deque.
        """
        return self.queue[self.head] if not self.isEmpty() else -1

    def getRear(self) -> int:
        """
        Get the last item from the deque.
        """
        return self.queue[self.tail - 1] if not self.isEmpty() else -1

    def isEmpty(self) -> bool:
        """
        Checks whether the circular deque is empty or not.
        """
        return self.size == 0

    def isFull(self) -> bool:
        """
        Checks whether the circular deque is full or not.
        """
        return self.size == len(self.queue)