本文同步更新於個人網站中,有更好的排版和程式碼區塊 highlighting 支援。
佇列(Queue)是一種先進先出(First In First Out)的資料結構,就像排隊買票一樣,先到的人先買票,後到的人後買票。
和 stack 一樣,queue 也是一種操作受限制的線性結構,但是它只允許在前端(front)進行刪除操作,而在後端(rear)進行插入操作。
具體可以參考下圖:
size
:回傳佇列的長度isEmpty
:判斷佇列是否為空enqueue/add
:在佇列的後端插入元素dequeue/remove
:刪除佇列的前端元素peek
:存取第一個元素我們也可以透過陣列來實作 queue,不過要注意的是,陣列的 push
和 shift
方法分別對應到 queue 的 enqueue
和 dequeue
方法,實作程式碼如下:
class Queue {
#data = [];
enqueue(el) {
this.#data.push(el);
}
dequeue() {
return this.#data.shift();
}
size() {
return this.#data.length;
}
isEmpty() {
return this.size() === 0;
}
peek() {
return this.#data[0];
}
front() {
return this.peek();
}
toString() {
return this.#data.toString();
}
clear() {
this.#data = [];
}
}
不過用陣列實作 queue 有個缺點,就是用 shift
刪除元素時,陣列會將後面的元素往前移動,這是一個 O(n) 的操作,這樣會有一些效能上的問題,我們也可以使用物件來實作:
class Queue {
#items = {};
#headCount = 0; // 記錄佇列的前端位置
#count = 0; // 記錄新元素的位置
enqueue(data) {
this.#items[this.#count] = data;
this.#count++;
}
dequeue() {
if (this.isEmpty()) return;
const head = this.#items[this.#headCount]; // 記錄將要刪除的元素
delete this.#items[this.#headCount]; // 刪除前端的元素
this.#headCount++; // 前端位置往後移動
return head; // 回傳被刪除的元素
}
peek() {
return this.#items[this.#headCount];
}
front() {
return this.peek();
}
isEmpty() {
return this.size() === 0;
}
size() {
return this.#count - this.#headCount;
}
clear() {
this.#items = {};
this.#headCount = 0;
this.#count = 0;
}
// 我們改成了物件,所以要自己實作 toString 方法
toString() {
let str = '';
for (let i = this.#headCount; i < this.#count; i++) {
str += this.#items[i] + (i < this.#count - 1 ? ',' : '');
}
return str;
}
}
我們來練習一下 queue 的操作,順便來用 queue 實作出昨天介紹過的 stack 結構,這題取自 225. Implement Stack using Queues,題目要求實作一個後進先出(LIFO)的 stack 結構,但條件是僅使用兩個 queue 來完成。
實作的 MyStack 類別需要具有以下幾個方法:
push(x)
: 將元素 x 放入堆疊的頂部。pop()
: 移除堆疊頂部的元素並回傳該元素。top()
: 回傳堆疊頂部的元素。empty()
: 若堆疊為空,則回傳 true,否則回傳 false。要注意的是,必須僅使用 queue 的標準操作,例如將元素加入尾端、從前端取出或查看元素、查詢佇列大小(size)和判斷佇列是否為空(isEmpty)。
一般在解題時,我們會直接利用陣列來模擬 queue 的操作:
class MyStack {
queue1 = [];
queue2 = [];
push(x) {
// 將新元素放入 queue2
this.queue2.push(x);
// 將 queue1 的元素全部取出放入 queue2
while (this.queue1.length > 0) {
this.queue2.push(this.queue1.shift());
}
// 交換 queue1 和 queue2
[this.queue1, this.queue2] = [this.queue2, this.queue1];
}
pop() {
return this.queue1.shift() ?? null;
}
top() {
return this.queue1[0] ?? null;
}
empty() {
return this.queue1.length === 0;
}
}
不過我們剛才已經實作過 Queue
類別了,所以我們可以直接利用這個 Queue
來實作:
class MyStack {
queue1 = new Queue();
queue2 = new Queue();
push(x) {
this.queue2.enqueue(x);
while (!this.queue1.isEmpty()) {
this.queue2.enqueue(this.queue1.dequeue());
}
[this.queue1, this.queue2] = [this.queue2, this.queue1];
}
pop() {
return this.queue1.dequeue() ?? null;
}
top() {
return this.queue1.front() ?? null;
}
empty() {
return this.queue1.isEmpty();
}
}
最後題目留了一個問題,就是如果只使用一個 queue 來實作,該怎麼做呢?這個就留給大家去練習了。
燙手山芋遊戲(擊鼓傳花),遊戲規則如下:
這個遊戲情境可以想像成是一個 queue,每個人都是 queue 裡的一個元素,當音樂響起時,就把山芋傳給下一個人,相當於 dequeue
,然後把這個暫時安全的這個人再 enqueue
回去,直到音樂停止,這個時候就直接 dequeue
這個人,並且淘汰他。
這時候就可以利用 queue 來找出如果主持人固定每一次都播 num
秒音樂且假設山芋都會傳給下一個人,該場遊戲的贏家是誰。實作程式碼如下:
function hotPotato(participants, num) {
const queue = new Queue();
participants.forEach((item) => queue.enqueue(item));
while (queue.size() > 1) {
for (let i = 0; i < num; i++) {
queue.enqueue(queue.dequeue());
}
console.log(`${queue.dequeue()} 被淘汰了`);
}
return queue.dequeue();
}
現在讓我們回顧一下以前在學 event loop 的時候,有一個叫做 task queue 的東西,這個 task queue 就是一個 queue,它會把所有的 callback function 都放進去,然後等到 call stack 裡的程式都執行完後,再把 task queue 裡的 callback function 按照放入的順序一個一個拿出來執行。這個就是一個 queue 的應用。