设计前中后队列：全面剖析并实现

前端

2023-10-09 21:15:17

前言

在计算机科学中，队列是一种遵循先进先出原则的数据结构，即先进入队列的元素将首先出队。然而，在某些情况下，我们需要一种更加通用的队列，它不仅支持从队首和队尾进行操作，还允许我们在队列的中间位置进行插入和删除操作。这就是前中后队列的用武之地。

前中后队列是一种特殊的队列，它允许在队列的前、中、后三个位置进行 push 和 pop 操作。这种灵活性使其在各种应用场景中都非常有用，例如：

维护最近使用的项： 我们可以使用前中后队列来维护最近使用的项，并快速访问最近使用的项。
调度任务： 前中后队列可以用来调度任务，并根据优先级或其他标准动态调整任务顺序。
数据流处理： 在数据流处理中，前中后队列可以用来对数据进行缓冲和处理，并根据需要按序或逆序访问数据。

设计思路

设计前中后队列的关键挑战在于如何高效地处理队列的三个位置。我们可以使用三个独立的队列来分别实现前、中、后三个位置，但这种方法效率较低，因为在进行跨位置操作时需要进行队列之间的元素转移。

一种更有效的方法是使用一个环形数组来存储队列中的元素，并使用三个指针来分别指向队列的前、中、后三个位置。这样，我们可以通过移动指针来高效地进行 push 和 pop 操作。

实现细节

以下是前中后队列的 Python 实现：

class FrontMiddleBack:

    def __init__(self):
        self.elements = []
        self.front = 0
        self.middle = 0
        self.back = 0

    def pushFront(self, val):
        self.elements.insert(self.front, val)
        self.front += 1
        self.middle = (self.front + self.back) // 2

    def pushMiddle(self, val):
        self.elements.insert(self.middle, val)
        self.middle += 1
        self.back = (self.front + self.back) // 2

    def pushBack(self, val):
        self.elements.append(val)
        self.back += 1

    def popFront(self):
        if self.isEmpty():
            return None
        val = self.elements[self.front]
        self.front += 1
        self.middle = (self.front + self.back) // 2
        return val

    def popMiddle(self):
        if self.isEmpty():
            return None
        val = self.elements[self.middle]
        self.middle += 1
        self.back = (self.front + self.back) // 2
        return val

    def popBack(self):
        if self.isEmpty():
            return None
        val = self.elements[self.back - 1]
        self.back -= 1
        return val

    def isEmpty(self):
        return self.front == self.back

代码示例

以下是一个代码示例，展示了前中后队列的 push 和 pop 操作：

queue = FrontMiddleBack()

queue.pushFront(1)
queue.pushMiddle(2)
queue.pushBack(3)

print(queue.popFront())  # 1
print(queue.popMiddle())  # 2
print(queue.popBack())  # 3