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Retranslate the complete Japanese online edition from Chinese (#2008)
* Retranslate the complete Japanese online edition from Chinese * Fit Japanese homepage labels and localize heading permalinks * Point Japanese contribution instructions to the Japanese preview * Replace locale conditionals with multilingual UI tables
This commit is contained in:
Yudong Jin
@@ -1,24 +1,24 @@
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# キュー
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<u>キュー（queue）</u>は、先入れ先出しの規則に従う線形データ構造です。名前のとおり、キューは順番待ちの現象を模したもので、新しく来た人は絶えずキュー末尾に加わり、キュー先頭にいる人から順に離れていきます。
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<u>キュー（queue）</u>は先入れ先出しの規則に従う線形データ構造です。行列に並ぶ様子を模しており、新しく来た人が末尾に加わり、先頭の人から順に離れていきます。
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下図のように、キューの先頭を「キュー先頭」、末尾を「キュー末尾」と呼びます。要素をキュー末尾に加える操作を「エンキュー」、キュー先頭の要素を削除する操作を「デキュー」と呼びます。
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下図のように、前側を「先頭」、後ろ側を「末尾」と呼びます。末尾に要素を加える操作を「エンキュー」、先頭要素を削除する操作を「デキュー」と呼びます。
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## キューの基本操作
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## キューの主な操作
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キューの基本操作を以下の表に示します。なお、メソッド名はプログラミング言語によって異なる場合があります。ここではスタックと同じ命名を採用します。
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主な操作を下表に示します。メソッド名は言語ごとに異なる場合がありますが、ここではスタックと同じ名前を使います。
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<p align="center"> 表 <id> キュー操作の効率 </p>
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<p align="center"> 表 <id> キューの操作効率 </p>
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| メソッド名 | 説明 | 時間計算量 |
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| メソッド名 | 説明 | 時間計算量 |
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| -------- | ---------------------------- | ---------- |
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| `push()` | 要素をエンキューし、キュー末尾に追加する | $O(1)$ |
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| `pop()` | キュー先頭の要素をデキューする | $O(1)$ |
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| `peek()` | キュー先頭の要素にアクセスする | $O(1)$ |
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| `push()` | エンキュー、つまり末尾への要素の追加 | $O(1)$ |
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| `pop()` | 先頭要素のデキュー | $O(1)$ |
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| `peek()` | 先頭要素へのアクセス | $O(1)$ |
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プログラミング言語に用意された既存のキュークラスをそのまま利用できます：
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言語が用意するキュークラスを、そのまま利用できます。
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=== "Python"
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@@ -26,8 +26,8 @@
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from collections import deque
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# キューを初期化
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# Python では、通常は双方向キュークラス deque をキューとして使用する
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# queue.Queue() は純粋なキュークラスだが、やや使いにくいため非推奨
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# Python では通常、両端キュークラス deque をキューとして使う
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# queue.Queue() は本来のキュークラスだが、使いにくいため推奨しない
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que: deque[int] = deque()
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# 要素をエンキュー
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@@ -37,7 +37,7 @@
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que.append(5)
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que.append(4)
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# キュー先頭の要素にアクセス
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# 先頭要素にアクセス
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front: int = que[0]
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# 要素をデキュー
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@@ -63,7 +63,7 @@
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queue.push(5);
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queue.push(4);
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/* キュー先頭の要素にアクセス */
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||||
/* 先頭要素にアクセス */
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int front = queue.front();
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||||
/* 要素をデキュー */
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@@ -89,7 +89,7 @@
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||||
queue.offer(5);
|
||||
queue.offer(4);
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||||
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||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
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||||
/* 先頭要素にアクセス */
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int peek = queue.peek();
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||||
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||||
/* 要素をデキュー */
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@@ -115,7 +115,7 @@
|
||||
queue.Enqueue(5);
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||||
queue.Enqueue(4);
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/* キュー先頭の要素にアクセス */
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||||
/* 先頭要素にアクセス */
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||||
int peek = queue.Peek();
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/* 要素をデキュー */
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||||
@@ -132,7 +132,7 @@
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```go title="queue_test.go"
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/* キューを初期化 */
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||||
// Go では、list をキューとして使用する
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||||
// Go では list をキューとして使う
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queue := list.New()
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/* 要素をエンキュー */
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@@ -142,7 +142,7 @@
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queue.PushBack(5)
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queue.PushBack(4)
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||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
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||||
/* 先頭要素にアクセス */
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||||
peek := queue.Front()
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||||
/* 要素をデキュー */
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||||
@@ -170,11 +170,11 @@
|
||||
queue.append(5)
|
||||
queue.append(4)
|
||||
|
||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
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||||
/* 先頭要素にアクセス */
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let peek = queue.first!
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/* 要素をデキュー */
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||||
// 配列であるため、removeFirst の計算量は O(n)
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||||
// 配列なので removeFirst の計算量は O(n)
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||||
let pop = queue.removeFirst()
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||||
|
||||
/* キューの長さを取得 */
|
||||
@@ -198,11 +198,11 @@
|
||||
queue.push(5);
|
||||
queue.push(4);
|
||||
|
||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
|
||||
/* 先頭要素にアクセス */
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const peek = queue[0];
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||||
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||||
/* 要素をデキュー */
|
||||
// 基盤は配列であるため、shift() メソッドの時間計算量は O(n)
|
||||
// 内部が配列なので shift() の時間計算量は O(n)
|
||||
const pop = queue.shift();
|
||||
|
||||
/* キューの長さを取得 */
|
||||
@@ -226,11 +226,11 @@
|
||||
queue.push(5);
|
||||
queue.push(4);
|
||||
|
||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
|
||||
/* 先頭要素にアクセス */
|
||||
const peek = queue[0];
|
||||
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||||
/* 要素をデキュー */
|
||||
// 基盤は配列であるため、shift() メソッドの時間計算量は O(n)
|
||||
// 内部が配列なので shift() の時間計算量は O(n)
|
||||
const pop = queue.shift();
|
||||
|
||||
/* キューの長さを取得 */
|
||||
@@ -244,7 +244,7 @@
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||||
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```dart title="queue.dart"
|
||||
/* キューを初期化 */
|
||||
// Dart では、キュークラス Queue は双方向キューであり、キューとしても使用できる
|
||||
// Dart の Queue は両端キューであり、通常のキューとしても使える
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||||
Queue<int> queue = Queue();
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||||
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||||
/* 要素をエンキュー */
|
||||
@@ -254,7 +254,7 @@
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||||
queue.add(5);
|
||||
queue.add(4);
|
||||
|
||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
|
||||
/* 先頭要素にアクセス */
|
||||
int peek = queue.first;
|
||||
|
||||
/* 要素をデキュー */
|
||||
@@ -270,8 +270,8 @@
|
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=== "Rust"
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```rust title="queue.rs"
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/* 双方向キューを初期化 */
|
||||
// Rust では双方向キューを通常のキューとして使う
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||||
/* 両端キューを初期化 */
|
||||
// Rust では両端キューを通常のキューとして使う
|
||||
let mut deque: VecDeque<u32> = VecDeque::new();
|
||||
|
||||
/* 要素をエンキュー */
|
||||
@@ -281,7 +281,7 @@
|
||||
deque.push_back(5);
|
||||
deque.push_back(4);
|
||||
|
||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
|
||||
/* 先頭要素にアクセス */
|
||||
if let Some(front) = deque.front() {
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||||
}
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||||
|
||||
@@ -315,7 +315,7 @@
|
||||
queue.offer(5)
|
||||
queue.offer(4)
|
||||
|
||||
/* キュー先頭の要素にアクセス */
|
||||
/* 先頭要素にアクセス */
|
||||
val peek = queue.peek()
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||||
|
||||
/* 要素をデキュー */
|
||||
@@ -332,7 +332,7 @@
|
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```ruby title="queue.rb"
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# キューを初期化
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# Ruby 組み込みのキュー（Thread::Queue) には peek と走査メソッドがないため、Array をキューとして使える
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||||
# Ruby の組み込みキュー（Thread::Queue）には peek や走査のメソッドがないため、Array をキューとして使える
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||||
queue = []
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||||
# 要素をエンキュー
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@@ -342,11 +342,11 @@
|
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queue.push(5)
|
||||
queue.push(4)
|
||||
|
||||
# キュー先頭の要素にアクセス
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||||
# キューの要素にアクセス
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||||
peek = queue.first
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||||
# 要素をデキュー
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||||
# 注意：配列であるため、Array#shift メソッドの時間計算量は O(n)
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||||
# 配列なので Array#shift の時間計算量は O(n) であることに注意
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pop = queue.shift
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||||
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||||
# キューの長さを取得
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@@ -356,68 +356,68 @@
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||||
is_empty = queue.empty?
|
||||
```
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||||
??? pythontutor "可視化実行"
|
||||
??? pythontutor "実行の可視化"
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||||
https://pythontutor.com/render.html#code=from%20collections%20import%20deque%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E9%98%9F%E5%88%97%0A%20%20%20%20%23%20%E5%9C%A8%20Python%20%E4%B8%AD%EF%BC%8C%E6%88%91%E4%BB%AC%E4%B8%80%E8%88%AC%E5%B0%86%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%E7%B1%BB%20deque%20%E7%9C%8B%E4%BD%9C%E9%98%9F%E5%88%97%E4%BD%BF%E7%94%A8%0A%20%20%20%20%23%20%E8%99%BD%E7%84%B6%20queue.Queue%28%29%20%E6%98%AF%E7%BA%AF%E6%AD%A3%E7%9A%84%E9%98%9F%E5%88%97%E7%B1%BB%EF%BC%8C%E4%BD%86%E4%B8%8D%E5%A4%AA%E5%A5%BD%E7%94%A8%0A%20%20%20%20que%20%3D%20deque%28%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E9%98%9F%0A%20%20%20%20que.append%281%29%0A%20%20%20%20que.append%283%29%0A%20%20%20%20que.append%282%29%0A%20%20%20%20que.append%285%29%0A%20%20%20%20que.append%284%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E5%88%97%20que%20%3D%22,%20que%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20front%20%3D%20que%5B0%5D%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%85%83%E7%B4%A0%20front%20%3D%22,%20front%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E9%98%9F%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20que.popleft%28%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E9%98%9F%E5%85%83%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22,%20pop%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%87%BA%E9%98%9F%E5%90%8E%20que%20%3D%22,%20que%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E9%98%9F%E5%88%97%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len%28que%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E5%88%97%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E9%98%9F%E5%88%97%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20len%28que%29%20%3D%3D%200%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E5%88%97%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
|
||||
https://pythontutor.com/render.html#code=from%20collections%20import%20deque%0A%0A%22%22%22%E5%AE%9F%E8%A1%8C%E7%94%A8%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83%89%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%92%E5%88%9D%E6%9C%9F%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%23%20Python%20%E3%81%A7%E3%81%AF%E9%80%9A%E5%B8%B8%E3%80%81%E4%B8%A1%E7%AB%AF%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%AF%E3%83%A9%E3%82%B9%20deque%20%E3%82%92%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%81%A8%E3%81%97%E3%81%A6%E4%BD%BF%E3%81%86%0A%20%20%20%20%23%20queue.Queue()%20%E3%81%AF%E6%9C%AC%E6%9D%A5%E3%81%AE%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%AF%E3%83%A9%E3%82%B9%E3%81%A0%E3%81%8C%E3%80%81%E4%BD%BF%E3%81%84%E3%81%AB%E3%81%8F%E3%81%84%0A%20%20%20%20que%20%3D%20deque()%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%82%A8%E3%83%B3%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%0A%20%20%20%20que.append(1)%0A%20%20%20%20que.append(3)%0A%20%20%20%20que.append(2)%0A%20%20%20%20que.append(5)%0A%20%20%20%20que.append(4)%0A%20%20%20%20print(%22%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%20que%20%3D%22%2C%20que)%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%88%E9%A0%AD%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%81%AB%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%BB%E3%82%B9%0A%20%20%20%20front%20%3D%20que%5B0%5D%0A%20%20%20%20print(%22%E5%85%88%E9%A0%AD%E8%A6%81%E7%B4%A0%20front%20%3D%22%2C%20front)%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%83%87%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%0A%20%20%20%20pop%20%3D%20que.popleft()%0A%20%20%20%20print(%22%E5%8F%96%E3%82%8A%E5%87%BA%E3%81%97%E3%81%9F%E8%A6%81%E7%B4%A0%20pop%20%3D%22%2C%20pop)%0A%20%20%20%20print(%22%E5%8F%96%E3%82%8A%E5%87%BA%E3%81%97%E3%81%9F%E5%BE%8C%E3%81%AE%20que%20%3D%22%2C%20que)%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%81%AE%E9%95%B7%E3%81%95%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len(que)%0A%20%20%20%20print(%22%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%81%AE%E9%95%B7%E3%81%95%20size%20%3D%22%2C%20size)%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%8B%E3%81%A9%E3%81%86%E3%81%8B%E3%82%92%E5%88%A4%E5%AE%9A%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20len(que)%20%3D%3D%200%0A%20%20%20%20print(%22%E3%82%AD%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%81%AF%E7%A9%BA%E3%81%8B%20%3D%22%2C%20is_empty)&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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## キューの実装
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キューを実装するには、一方の端で要素を追加し、もう一方の端で要素を削除できるデータ構造が必要です。連結リストと配列はいずれもこの条件を満たします。
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キューを実装するには、一方の端で追加し、もう一方の端で削除できるデータ構造が必要です。連結リストも配列も、この条件を満たします。
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### 連結リストに基づく実装
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### 連結リストによる実装
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下図のように、連結リストの「先頭ノード」と「末尾ノード」をそれぞれ「キュー先頭」と「キュー末尾」とみなし、キュー末尾ではノードの追加のみ、キュー先頭ではノードの削除のみを行うようにします。
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下図のように、連結リストの先頭ノードと末尾ノードを、キューの先頭と末尾に対応させます。末尾では追加だけ、先頭では削除だけを行います。
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=== "<1>"
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=== "<2>"
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=== "<3>"
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以下は連結リストでキューを実装するコードです：
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連結リストを使うコードは次のとおりです。
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```src
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[file]{linkedlist_queue}-[class]{linked_list_queue}-[func]{}
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```
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### 配列に基づく実装
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### 配列による実装
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配列で先頭要素を削除する時間計算量は $O(n)$ であり、そのままではデキュー操作の効率が低くなります。しかし、次の巧妙な方法によってこの問題を回避できます。
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配列の先頭要素の削除は時間計算量が $O(n)$ なので、デキューの効率が低くなります。ただし、次の工夫で避けられます。
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変数 `front` を用いてキュー先頭要素のインデックスを指し、さらに変数 `size` でキューの長さを記録できます。`rear = front + size` と定義すると、この式で得られる `rear` はキュー末尾要素の次の位置を指します。
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変数 `front` で先頭要素のインデックスを示し、変数 `size` でキューの長さを記録します。`rear = front + size` と定義すると、`rear` は末尾要素の次の位置を指します。
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この設計に基づくと、**配列内で要素を含む有効区間は `[front, rear - 1]`** となります。各種操作の実装方法を下図に示します。
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この設計では、**要素を含む有効区間は `[front, rear - 1]`** です。各操作の実装を下図に示します。
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- エンキュー操作：入力要素を `rear` の位置に代入し、`size` を 1 増やします。
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- デキュー操作：`front` を 1 増やし、`size` を 1 減らすだけです。
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- エンキュー：インデックス `rear` に入力要素を代入し、`size` を 1 増やします。
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- デキュー：`front` を 1 増やし、`size` を 1 減らすだけです。
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このように、エンキューとデキューはいずれも 1 回の操作だけで済み、時間計算量はともに $O(1)$ です。
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どちらも一度の操作で済み、時間計算量はともに $O(1)$ です。
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=== "<1>"
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=== "<2>"
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=== "<3>"
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ここで 1 つ問題があります。エンキューとデキューを繰り返すと、`front` と `rear` はどちらも右へ移動し続け、**配列の末尾に達するとそれ以上進めなくなります**。この問題を解決するために、配列を先頭と末尾がつながった「環状配列」とみなします。
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一つ問題があります。追加と削除を続けると `front` と `rear` が右へ移動し、**配列の末尾に達すると、それ以上進めなくなります**。これを解決するため、配列の両端がつながった「循環配列」と見なします。
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環状配列では、`front` または `rear` が配列末尾を越えたときに、直ちに配列先頭へ戻って走査を続けられるようにする必要があります。この周期的な規則は「剰余演算」によって実現できます。コードは次のとおりです：
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循環配列では、`front` や `rear` が末尾を越えたら先頭に戻って走査を続けます。この周期性は剰余演算で実現できます。コードは次のとおりです。
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```src
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[file]{array_queue}-[class]{array_queue}-[func]{}
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```
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上記の実装によるキューにも制約があり、長さを可変にできません。しかし、この問題の解決は難しくなく、配列を動的配列に置き換えれば容量拡張の仕組みを導入できます。興味があれば自分で実装してみてください。
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この実装には、長さを変更できないという制約がまだあります。ただし、配列を動的配列に置き換え、容量拡張を導入すれば解決できます。興味があれば実装してみてください。
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2 つの実装の比較に関する結論はスタックの場合と同じなので、ここでは繰り返しません。
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二つの実装の比較結果はスタックと同じなので、ここでは繰り返しません。
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## キューの典型的な応用
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## キューの代表的な用途
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- **淘宝の注文**。購入者が注文すると、その注文はキューに追加され、システムは順番に従って注文を処理します。ダブルイレブンの期間には短時間で膨大な注文が発生するため、高並行性がエンジニアにとって重点的に解決すべき課題になります。
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- **各種の待機事項**。先着順の機能を実現する必要があるあらゆる場面、たとえばプリンターのジョブキューや飲食店の配膳キューなどでは、キューによって処理順序を効果的に維持できます。
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- **淘宝の注文**。購入者が注文するとキューに追加され、システムが順に処理します。11 月 11 日のセールでは短時間に膨大な注文が発生するため、多数の同時処理がエンジニアにとって重要な課題となります。
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- **さまざまな待機タスク**。プリンターの印刷待ちや飲食店の料理の提供待ちなど、到着順の処理が必要な場面で、キューは処理順を効果的に維持できます。
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