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synced 2026-07-04 19:54:20 +00:00
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This commit is contained in:
krahets
@@ -3466,7 +3466,7 @@
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<h1 id="53">5.3 双向队列<a class="headerlink" href="#53" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>对于队列，我们仅能在头部删除或在尾部添加元素。然而，「双向队列 deque」提供了更高的灵活性，允许在头部和尾部执行元素的添加或删除操作。</p>
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<p>在队列中，我们仅能在头部删除或在尾部添加元素。如下图所示，「双向队列 deque」提供了更高的灵活性，允许在头部和尾部执行元素的添加或删除操作。</p>
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<p><img alt="双向队列的操作" src="../deque.assets/deque_operations.png" /></p>
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<p align="center"> 图：双向队列的操作 </p>
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@@ -3798,7 +3798,7 @@
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<h3 id="1">1. 基于双向链表的实现<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>回顾上一节内容，我们使用普通单向链表来实现队列，因为它可以方便地删除头节点（对应出队操作）和在尾节点后添加新节点（对应入队操作）。</p>
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<p>对于双向队列而言，头部和尾部都可以执行入队和出队操作。换句话说，双向队列需要实现另一个对称方向的操作。为此，我们采用“双向链表”作为双向队列的底层数据结构。</p>
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<p>我们将双向链表的头节点和尾节点视为双向队列的队首和队尾，同时实现在两端添加和删除节点的功能。</p>
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<p>如下图所示，我们将双向链表的头节点和尾节点视为双向队列的队首和队尾，同时实现在两端添加和删除节点的功能。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:5"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_4" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_5" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">LinkedListDeque</label><label for="__tabbed_2_2">pushLast()</label><label for="__tabbed_2_3">pushFirst()</label><label for="__tabbed_2_4">popLast()</label><label for="__tabbed_2_5">popFirst()</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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@@ -3820,7 +3820,7 @@
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</div>
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<p align="center"> 图：基于链表实现双向队列的入队出队操作 </p>
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<p>以下是具体实现代码。</p>
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<p>实现代码如下所示。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:12"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_11" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_12" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JS</label><label for="__tabbed_3_6">TS</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label><label for="__tabbed_3_11">Dart</label><label for="__tabbed_3_12">Rust</label></div>
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@@ -5418,7 +5418,7 @@
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<h3 id="2">2. 基于数组的实现<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>与基于数组实现队列类似，我们也可以使用环形数组来实现双向队列。在队列的实现基础上，仅需增加“队首入队”和“队尾出队”的方法。</p>
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<p>如下图所示，与基于数组实现队列类似，我们也可以使用环形数组来实现双向队列。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:5"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_4" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_5" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">ArrayDeque</label><label for="__tabbed_4_2">pushLast()</label><label for="__tabbed_4_3">pushFirst()</label><label for="__tabbed_4_4">popLast()</label><label for="__tabbed_4_5">popFirst()</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -5440,7 +5440,7 @@
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<p align="center"> 图：基于数组实现双向队列的入队出队操作 </p>
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<p>以下是具体实现代码。</p>
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<p>在队列的实现基础上，仅需增加“队首入队”和“队尾出队”的方法。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="5:12"><input checked="checked" id="__tabbed_5_1" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_2" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_3" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_4" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_5" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_6" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_7" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_8" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_9" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_10" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_11" name="__tabbed_5" type="radio" /><input id="__tabbed_5_12" name="__tabbed_5" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_5_1">Java</label><label for="__tabbed_5_2">C++</label><label for="__tabbed_5_3">Python</label><label for="__tabbed_5_4">Go</label><label for="__tabbed_5_5">JS</label><label for="__tabbed_5_6">TS</label><label for="__tabbed_5_7">C</label><label for="__tabbed_5_8">C#</label><label for="__tabbed_5_9">Swift</label><label for="__tabbed_5_10">Zig</label><label for="__tabbed_5_11">Dart</label><label for="__tabbed_5_12">Rust</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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@@ -3467,7 +3467,7 @@
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<h1 id="52">5.2 队列<a class="headerlink" href="#52" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>「队列 queue」是一种遵循先入先出规则的线性数据结构。顾名思义，队列模拟了排队现象，即新来的人不断加入队列的尾部，而位于队列头部的人逐个离开。</p>
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<p>我们把队列的头部称为“队首”，尾部称为“队尾”，把将元素加入队尾的操作称为“入队”，删除队首元素的操作称为“出队”。</p>
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<p>如下图所示，我们将队列的头部称为“队首”，尾部称为“队尾”，将把元素加入队尾的操作称为“入队”，删除队首元素的操作称为“出队”。</p>
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<p><img alt="队列的先入先出规则" src="../queue.assets/queue_operations.png" /></p>
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<p align="center"> 图：队列的先入先出规则 </p>
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@@ -3750,7 +3750,7 @@
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<h2 id="522">5.2.2 队列实现<a class="headerlink" href="#522" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>为了实现队列，我们需要一种数据结构，可以在一端添加元素，并在另一端删除元素。因此，链表和数组都可以用来实现队列。</p>
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<h3 id="1">1. 基于链表的实现<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>对于链表实现，我们可以将链表的“头节点”和“尾节点”分别视为“队首”和“队尾”，规定队尾仅可添加节点，队首仅可删除节点。</p>
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<p>如下图所示，我们可以将链表的“头节点”和“尾节点”分别视为“队首”和“队尾”，规定队尾仅可添加节点，队首仅可删除节点。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:3"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">LinkedListQueue</label><label for="__tabbed_2_2">push()</label><label for="__tabbed_2_3">pop()</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -3766,7 +3766,7 @@
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</div>
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<p align="center"> 图：基于链表实现队列的入队出队操作 </p>
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<p>以下是用链表实现队列的示例代码。</p>
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<p>以下是用链表实现队列的代码。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="3:12"><input checked="checked" id="__tabbed_3_1" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_2" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_3" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_4" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_5" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_6" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_7" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_8" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_9" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_10" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_11" name="__tabbed_3" type="radio" /><input id="__tabbed_3_12" name="__tabbed_3" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_3_1">Java</label><label for="__tabbed_3_2">C++</label><label for="__tabbed_3_3">Python</label><label for="__tabbed_3_4">Go</label><label for="__tabbed_3_5">JS</label><label for="__tabbed_3_6">TS</label><label for="__tabbed_3_7">C</label><label for="__tabbed_3_8">C#</label><label for="__tabbed_3_9">Swift</label><label for="__tabbed_3_10">Zig</label><label for="__tabbed_3_11">Dart</label><label for="__tabbed_3_12">Rust</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -4618,10 +4618,10 @@
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<h3 id="2">2. 基于数组的实现<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>由于数组删除首元素的时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> ，这会导致出队操作效率较低。然而，我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。</p>
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<p>我们可以使用一个变量 <code>front</code> 指向队首元素的索引，并维护一个变量 <code>queSize</code> 用于记录队列长度。定义 <code>rear = front + queSize</code> ，这个公式计算出的 <code>rear</code> 指向队尾元素之后的下一个位置。</p>
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<p>基于此设计，<strong>数组中包含元素的有效区间为 [front, rear - 1]</strong>，进而：</p>
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<p>基于此设计，<strong>数组中包含元素的有效区间为 <code>[front, rear - 1]</code></strong>，各种操作的实现方法如下图所示。</p>
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<ul>
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<li>对于入队操作，将输入元素赋值给 <code>rear</code> 索引处，并将 <code>queSize</code> 增加 1 。</li>
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<li>对于出队操作，只需将 <code>front</code> 增加 1 ，并将 <code>queSize</code> 减少 1 。</li>
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<li>入队操作：将输入元素赋值给 <code>rear</code> 索引处，并将 <code>queSize</code> 增加 1 。</li>
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<li>出队操作：只需将 <code>front</code> 增加 1 ，并将 <code>queSize</code> 减少 1 。</li>
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</ul>
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<p>可以看到，入队和出队操作都只需进行一次操作，时间复杂度均为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:3"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">ArrayQueue</label><label for="__tabbed_4_2">push()</label><label for="__tabbed_4_3">pop()</label></div>
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@@ -1121,33 +1121,6 @@
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5.1.3 两种实现对比
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</a>
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<nav class="md-nav" aria-label="5.1.3 两种实现对比">
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<ul class="md-nav__list">
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#1_1" class="md-nav__link">
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1. 支持操作
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</a>
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</li>
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#2_1" class="md-nav__link">
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2. 时间效率
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</a>
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</li>
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#3" class="md-nav__link">
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3. 空间效率
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</a>
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</li>
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</ul>
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</nav>
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</li>
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<li class="md-nav__item">
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@@ -3474,33 +3447,6 @@
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5.1.3 两种实现对比
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</a>
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<nav class="md-nav" aria-label="5.1.3 两种实现对比">
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<ul class="md-nav__list">
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#1_1" class="md-nav__link">
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1. 支持操作
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</a>
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</li>
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#2_1" class="md-nav__link">
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2. 时间效率
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</a>
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</li>
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<li class="md-nav__item">
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<a href="#3" class="md-nav__link">
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3. 空间效率
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</a>
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</li>
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</ul>
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</nav>
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</li>
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<li class="md-nav__item">
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@@ -3536,7 +3482,7 @@
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<h1 id="51">5.1 栈<a class="headerlink" href="#51" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>「栈 stack」是一种遵循先入后出的逻辑的线性数据结构。</p>
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<p>我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子，如果需要拿出底部的盘子，则需要先将上面的盘子依次取出。我们将盘子替换为各种类型的元素（如整数、字符、对象等），就得到了栈数据结构。</p>
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<p>在栈中，我们把堆叠元素的顶部称为“栈顶”，底部称为“栈底”。将把元素添加到栈顶的操作叫做“入栈”，而删除栈顶元素的操作叫做“出栈”。</p>
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<p>如下图所示，我们把堆叠元素的顶部称为“栈顶”，底部称为“栈底”。将把元素添加到栈顶的操作叫做“入栈”，删除栈顶元素的操作叫做“出栈”。</p>
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<p><img alt="栈的先入后出规则" src="../stack.assets/stack_operations.png" /></p>
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<p align="center"> 图：栈的先入后出规则 </p>
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@@ -3817,7 +3763,7 @@
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<p>栈遵循先入后出的原则，因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而，数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素，<strong>因此栈可以被视为一种受限制的数组或链表</strong>。换句话说，我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作，使其对外表现的逻辑符合栈的特性。</p>
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<h3 id="1">1. 基于链表的实现<a class="headerlink" href="#1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>使用链表来实现栈时，我们可以将链表的头节点视为栈顶，尾节点视为栈底。</p>
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<p>对于入栈操作，我们只需将元素插入链表头部，这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作，只需将头节点从链表中删除即可。</p>
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<p>如下图所示，对于入栈操作，我们只需将元素插入链表头部，这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作，只需将头节点从链表中删除即可。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="2:3"><input checked="checked" id="__tabbed_2_1" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_2" name="__tabbed_2" type="radio" /><input id="__tabbed_2_3" name="__tabbed_2" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_2_1">LinkedListStack</label><label for="__tabbed_2_2">push()</label><label for="__tabbed_2_3">pop()</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -4567,7 +4513,7 @@
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</div>
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</div>
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<h3 id="2">2. 基于数组的实现<a class="headerlink" href="#2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>使用数组实现栈时，我们可以将数组的尾部作为栈顶。在这样的设计下，入栈与出栈操作就分别对应在数组尾部添加元素与删除元素，时间复杂度都为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<p>使用数组实现栈时，我们可以将数组的尾部作为栈顶。如下图所示，入栈与出栈操作分别对应在数组尾部添加元素与删除元素，时间复杂度都为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<div class="tabbed-set tabbed-alternate" data-tabs="4:3"><input checked="checked" id="__tabbed_4_1" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_2" name="__tabbed_4" type="radio" /><input id="__tabbed_4_3" name="__tabbed_4" type="radio" /><div class="tabbed-labels"><label for="__tabbed_4_1">ArrayStack</label><label for="__tabbed_4_2">push()</label><label for="__tabbed_4_3">pop()</label></div>
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<div class="tabbed-content">
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<div class="tabbed-block">
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@@ -5153,9 +5099,9 @@
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</div>
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</div>
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<h2 id="513">5.1.3 两种实现对比<a class="headerlink" href="#513" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<h3 id="1_1">1. 支持操作<a class="headerlink" href="#1_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p><strong>支持操作</strong></p>
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<p>两种实现都支持栈定义中的各项操作。数组实现额外支持随机访问，但这已超出了栈的定义范畴，因此一般不会用到。</p>
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<h3 id="2_1">2. 时间效率<a class="headerlink" href="#2_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p><strong>时间效率</strong></p>
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<p>在基于数组的实现中，入栈和出栈操作都是在预先分配好的连续内存中进行，具有很好的缓存本地性，因此效率较高。然而，如果入栈时超出数组容量，会触发扩容机制，导致该次入栈操作的时间复杂度变为 <span class="arithmatex">\(O(n)\)</span> 。</p>
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<p>在链表实现中，链表的扩容非常灵活，不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是，入栈操作需要初始化节点对象并修改指针，因此效率相对较低。不过，如果入栈元素本身就是节点对象，那么可以省去初始化步骤，从而提高效率。</p>
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<p>综上所述，当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型（如 <code>int</code> , <code>double</code> ）时，我们可以得出以下结论：</p>
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@@ -5163,7 +5109,7 @@
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<li>基于数组实现的栈在触发扩容时效率会降低，但由于扩容是低频操作，因此平均效率更高。</li>
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<li>基于链表实现的栈可以提供更加稳定的效率表现。</li>
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</ul>
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<h3 id="3">3. 空间效率<a class="headerlink" href="#3" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p><strong>空间效率</strong></p>
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<p>在初始化列表时，系统会为列表分配“初始容量”，该容量可能超过实际需求。并且，扩容机制通常是按照特定倍率（例如 2 倍）进行扩容，扩容后的容量也可能超出实际需求。因此，<strong>基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费</strong>。</p>
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<p>然而，由于链表节点需要额外存储指针，<strong>因此链表节点占用的空间相对较大</strong>。</p>
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<p>综上，我们不能简单地确定哪种实现更加节省内存，需要针对具体情况进行分析。</p>
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