JavaScript数据结构03 - 队列

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leocoder
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    一、定义

    前面我们学习了栈的实现，队列和栈非常类似，但是使用了不同的原则，而非后进先出。

    队列是遵循FIFO（First In First Out，先进先出）原则的一组有序的项。队列在尾部添加新元素，并从顶部移除元素。最新添加的元素必须排在队列的末尾。

    在计算机科学中，一个最常见的例子就是打印队列。比如说我们要打印五份文档。我们会打开每个文档，然后点击打印按钮。每个文档都会被发送至打印队列。第一个发送到打印队列的文档会首先被打印，以此类推，直到打印完所有文档。

    二、队列的实现

    2.1 普通队列

    创建普通队列类：

    // Queue类
function Queue () {
  this.items = [];

  this.enqueue = enqueue;
  this.dequeue = dequeue;
  this.front = front;
  this.isEmpty = isEmpty;
  this.size = size;
  this.clear = clear;
  this.print = print;
}

    队列里面有一些声明的辅助方法：

    • enqueue(element)：向队列尾部添加新项
    • dequeue()：移除队列的第一项（即排在队列最前面的项），并返回被移除的元素
    • front()：返回队列中第一个元素，队列不做任何变动，和Stack的peek()方法类似
    • isEmpty()：如果队列中不包含任何元素，返回true，否则返回false
    • size()：返回队列包含的元素个数，与数组的length属性类似
    • print()：打印队列中的元素
    • clear()：清空整个队列

    下面我们来一一实现这些辅助方法：

    // 向队列尾部添加元素
function enqueue (element) {
  this.items.push(element);
}

// 移除队列的第一个元素，并返回被移除的元素
function dequeue () {
  return this.items.shift();
}

// 返回队列的第一个元素
function front () {
  return this.items[0];
}

// 判断是否为空队列
function isEmpty () {
  return this.items.length === 0;
}

// 获取队列的长度
function size () {
  return this.items.length;
}

// 清空队列
function clear () {
  this.items = [];
}

// 打印队列里的元素
function print () {
  console.log(this.items.toString());
}

    创建普通队列实例进行测试：

    // 创建Queue实例
var queue = new Queue();

console.log(queue.isEmpty());     // true
queue.enqueue("John");            // undefined
queue.enqueue("Jack");            // undefined
queue.enqueue("Camila");          // undefined
queue.print();                    // "John,Jack,Camila"
console.log(queue.size());        // 3
console.log(queue.isEmpty());     // false
queue.dequeue();                  // "John"
queue.dequeue();                  // "Jack"
queue.print();                    // "Camila"
queue.clear();                    // undefined
console.log(queue.size());        // 0

    2.2 优先队列

    2.2.1 定义

    普通队列的添加和移除只依赖于先后顺序，先来的先添加，后来的后添加，然后按照先后顺序依次从队列移除。

    但是，还有一种队列叫优先队列，元素的添加和移除是依赖优先级的。

    一个现实的例子就是机场登机的顺序。头等舱和商务舱乘客的优先级要高于经济舱乘客。再比如火车，老年人、孕妇和带小孩的乘客是享有优先检票权的。

    2.2.2 分类

    优先队列分为两类：

    1. 最小优先队列
    2. 最大优先队列

    最小优先队列是把优先级的值最小的元素被放置到队列的最前面（代表最高的优先级）。比如有四个元素："John", "Jack", "Camila", "Tom"，他们的优先级值分别为4，3，2，1。

    那么最小优先队列排序应该为："Tom"，"Camila"，"Jack"，"John"。

    最大优先队列正好相反，把优先级值最大的元素放置在队列的最前面，以上面的为例，最大优先队列排序应该为："John", "Jack", "Camila", "Tom"。

    2.2.2 实现

    实现一个优先队列，有两种选项：

    1. 设置优先级，根据优先级正确添加元素，然后和普通队列一样正常移除
    2. 设置优先级，和普通队列一样正常按顺序添加，然后根据优先级移除

    这里最小优先队列和最大优先队列我都采用第一种方式实现，大家可以尝试一下第二种。

    所以我只重写enqueue()方法和print()方法，其他方法和上面的普通队列完全相同。完整代码见我的github。

    实现最小优先队列：

    // 定义最小优先队列
function MinPriorityQueue () {
  this.items = [];

  this.enqueue = enqueue;
  this.dequeue = dequeue;
  this.front = front;
  this.isEmpty = isEmpty;
  this.size = size;
  this.clear = clear;
  this.print = print;
}

    实现最小优先队列enqueue()方法和print()方法：

    // 优先队列添加元素，要根据优先级判断在队列中的插入顺序
function enqueue (element, priority) {
  var queueElement = {
    element: element,
    priority: priority
  };

  if (this.isEmpty()) {
    this.items.push(queueElement);
  } else {
    var added = false;

    for (var i = 0; i < this.size(); i++) {
      if (queueElement.priority < this.items[i].priority) {
        this.items.splice(i, 0, queueElement);
        added = true;
        break ;
      }
    }

    if (!added) {
      this.items.push(queueElement);
    }
  }
}

// 打印队列里的元素
function print () {
  var strArr = [];

  strArr = this.items.map(function (item) {
    return `${item.element}->${item.priority}`;
  });

  console.log(strArr.toString());
}

    最小优先队列测试：

    // 创建最小优先队列minPriorityQueue实例
var minPriorityQueue = new MinPriorityQueue();

console.log(minPriorityQueue.isEmpty());     // true
minPriorityQueue.enqueue("John", 1);         // undefined
minPriorityQueue.enqueue("Jack", 3);         // undefined
minPriorityQueue.enqueue("Camila", 2);       // undefined
minPriorityQueue.enqueue("Tom", 3);          // undefined
minPriorityQueue.print();                    // "John->1,Camila->2,Jack->3,Tom->3"
console.log(minPriorityQueue.size());        // 4
console.log(minPriorityQueue.isEmpty());     // false
minPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "John", priority: 1}
minPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "Camila", priority: 2}
minPriorityQueue.print();                    // "Jack->3,Tom->3"
minPriorityQueue.clear();                    // undefined
console.log(minPriorityQueue.size());        // 0

    实现最大优先队列

    最大优先队列只要将优先级的判断改为大于号">"就可以了：

    // 最大优先队列MaxPriorityQueue类
function MaxPriorityQueue () {
  this.items = [];

  this.enqueue = enqueue;
  this.dequeue = dequeue;
  this.front = front;
  this.isEmpty = isEmpty;
  this.size = size;
  this.clear = clear;
  this.print = print;
}

// 优先队列添加元素，要根据优先级判断在队列中的插入顺序
function enqueue (element, priority) {
  var queueElement = {
    element: element,
    priority: priority
  };

  if (this.isEmpty()) {
    this.items.push(queueElement);
  } else {
    var added = false;

    for (var i = 0; i < this.items.length; i++) {
      // 注意，只需要将这里改为大于号就可以了
      if (queueElement.priority > this.items[i].priority) {
        this.items.splice(i, 0, queueElement);
        added = true;
        break ;
      }
    }

    if (!added) {
      this.items.push(queueElement);
    }
  }
}

    最大优先队列测试：

    // 创建最大优先队列maxPriorityQueue实例
var maxPriorityQueue = new MaxPriorityQueue();

console.log(maxPriorityQueue.isEmpty());     // true
maxPriorityQueue.enqueue("John", 1);         // undefined
maxPriorityQueue.enqueue("Jack", 3);         // undefined
maxPriorityQueue.enqueue("Camila", 2);       // undefined
maxPriorityQueue.enqueue("Tom", 3);          // undefined
maxPriorityQueue.print();                    // "Jack->3,Tom->3,Camila->2,John->1"
console.log(maxPriorityQueue.size());        // 4
console.log(maxPriorityQueue.isEmpty());     // false
maxPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "Jack", priority: 3}
maxPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "Tom", priority: 3}
maxPriorityQueue.print();                    // "Camila->2,John->1"
maxPriorityQueue.clear();                    // undefined
console.log(maxPriorityQueue.size());        // 0

    2.3 循环队列

    还有一种队列实现叫做循环队列。

    循环队列的一个例子就是击鼓传花游戏（Hot Potato）。在这个游戏中，孩子们围城一个圆圈，击鼓的时候把花尽快的传递给旁边的人。某一时刻击鼓停止，这时花在谁的手里，谁就退出圆圈直到游戏结束。重复这个过程，直到只剩一个孩子（胜者）。

    下面我们在普通队列的基础上，实现一个模拟的击鼓传花游戏：

    // 实现击鼓传花
function hotPotato (nameList, num) {
  var queue = new Queue();

  for (var i = 0; i < nameList.length; i++) {
    queue.enqueue(nameList[i]);
  }

  var eliminated = '';

  while (queue.size() > 1) {
    // 循环num次，队首出来去到队尾
    for (var i = 0; i < num; i++) {
      queue.enqueue(queue.dequeue());
    }
    // 循环num次过后，移除当前队首的元素
    eliminated = queue.dequeue();
    console.log(`${eliminated}在击鼓传花中被淘汰！`);
  }

  // 最后只剩一个元素
  return queue.dequeue();
}

// 测试
var nameList = ["John", "Jack", "Camila", "Ingrid", "Carl"];
var winner = hotPotato(nameList, 10);
console.log(`最后的胜利者是：${winner}`);

    执行结果为：

    // John在击鼓传花中被淘汰！
// Ingrid在击鼓传花中被淘汰！ 
// Jack在击鼓传花中被淘汰！
// Camila在击鼓传花中被淘汰！
// 最后的胜利者是：Carl

    三、结束

    本文会同步到我的个人博客，完整代码可以到我的github仓库查看，如果对你有帮助的话欢迎点一个Star~~

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