队列的前卫：双向队列揭秘和经典应用

见解分享

2023-03-02 21:09:34

双向队列：一种多功能的队列数据结构

在计算机科学的世界里，数据结构是组织和存储数据的蓝图。双向队列，也被称为双端队列或 Deque，就是一种特殊类型的队列，它允许你在队列的头部和尾部进行插入和删除操作。

双向队列的特色

想象一下双向队列就像一条双向街道，允许车辆在任一端进入或离开。与普通队列只允许从头部添加或删除元素不同，双向队列提供了双向访问的灵活性。这意味着你可以像使用队列一样从头部先进先出地访问元素，也可以像使用堆栈一样从尾部后进先出地访问元素。

双向队列的实现

实现双向队列有多种方法，每种方法都有其优点和缺点。

数组实现： 使用数组存储元素，简单易懂，但大小固定，调整大小需要复制所有元素。
链表实现： 使用链表存储元素，可以动态调整大小，但插入和删除操作比数组更慢。
循环数组实现： 结合数组和链表的优点，可以动态调整大小，同时保持插入和删除操作的效率。

双向队列的应用

双向队列在现实世界中有着广泛的应用，包括：

缓冲区： 在进程或线程之间临时存储数据。
队列： 先进先出数据结构，确保最早进入队列的元素首先离开。
堆栈： 后进先出数据结构，确保最后进入堆栈的元素首先离开。
浏览器历史记录： 记录浏览历史，轻松在前/后退之间导航。
音乐播放器： 存储播放列表，轻松在前/后退之间切换歌曲。
通信协议： 在计算机之间交换数据时的规则和约定。

双向队列的代码示例

以下是一个使用循环数组实现的双向队列示例：

class Deque {
    private int[] arr;
    private int front;
    private int rear;
    private int size;

    public Deque(int size) {
        arr = new int[size];
        front = rear = -1;
        this.size = size;
    }

    // 在头部插入元素
    public void insertFront(int value) {
        if ((front == 0 && rear == size - 1) || (rear == (front - 1) % (size - 1))) {
            System.out.println("队列已满");
            return;
        }

        if (front == -1) {
            front = rear = 0;
        } else if (front == 0) {
            front = size - 1;
        } else {
            front--;
        }

        arr[front] = value;
    }

    // 在尾部插入元素
    public void insertRear(int value) {
        if ((front == 0 && rear == size - 1) || (rear == (front - 1) % (size - 1))) {
            System.out.println("队列已满");
            return;
        }

        if (front == -1) {
            front = rear = 0;
        } else if (rear == size - 1) {
            rear = 0;
        } else {
            rear++;
        }

        arr[rear] = value;
    }

    // 从头部删除元素
    public int deleteFront() {
        if (front == -1) {
            System.out.println("队列已空");
            return -1;
        }

        int value = arr[front];

        if (front == rear) {
            front = rear = -1;
        } else if (front == size - 1) {
            front = 0;
        } else {
            front++;
        }

        return value;
    }

    // 从尾部删除元素
    public int deleteRear() {
        if (front == -1) {
            System.out.println("队列已空");
            return -1;
        }

        int value = arr[rear];

        if (front == rear) {
            front = rear = -1;
        } else if (rear == 0) {
            rear = size - 1;
        } else {
            rear--;
        }

        return value;
    }

    // 检查队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return front == -1;
    }

    // 检查队列是否已满
    public boolean isFull() {
        return (front == 0 && rear == size - 1) || (rear == (front - 1) % (size - 1));
    }

    // 打印队列
    public void printDeque() {
        if (front == -1) {
            System.out.println("队列为空");
            return;
        }

        System.out.print("队列元素：");
        if (rear >= front) {
            for (int i = front; i <= rear; i++) {
                System.out.print(arr[i] + " ");
            }
        } else {
            for (int i = front; i < size; i++) {
                System.out.print(arr[i] + " ");
            }
            for (int i = 0; i <= rear; i++) {
                System.out.print(arr[i] + " ");
            }
        }

        System.out.println();
    }
}