在JavaScript中实现队列

疯狂的技术宅

作为一个优秀的程序猿需要具有知识的广度。首先是要了解你选择的编程语言。如果你正在阅读这篇文章,最有可能使用 JavaScript。

然而在熟悉了编程语言之后,你还必须了解如何根据任务轻松且有效地操纵数据。这就是数据结构的用武之地。

在本文中,我将描述队列数据这个结构:它都有哪些操作以及在 JavaScript 中怎样实现。

1. 队列数据结构

如果你喜欢四处旅行,肯定在火车站经历过检票这道手续。如果有很多人要坐火车,那么很自然地会形成一个队列。刚进入车站的人加入队列。另一边刚刚通过检票的人从队列中走出。这就是队列的一个例子,与队列数据结构的操作方式相同。

队列是一种遵循先入先出(FIFO)规则的数据结构。第一个进入队列中的项目(输入)是第一个出队(输出)的。

队列有2个指针:队首和队尾。最先进入队列进行排队的项目位于队首,而最后进入队列的项目位于队尾

回顾车站的例子,第一个检票的是在队列的队首。刚进入队列的人在队尾。

image.png

从更高的层面来看,队列是一种允许你按照先后顺序处理项目的数据结构。

2. 队列的操作

队列支持 2 个主要操作:入队(enqueue)出队(dequeue),另外还有 peek 和 length 操作。

2.1 入队操作

入队操作在队列的尾部插入项目,使其成为队列的队尾。

image.png

上图中的入队操作在队尾插入了 8,之后 8 成为队列的队尾。

queue.enqueue(8);

2.2 出队操作

出队操作取出队列中第一个项目,此时队列中的下一个项目成为队首。

image.png

在上图中,出队操作返回项目7并从队列中删除。 出队之后之后,项目 2 成为新的队首。

queue.dequeue(); // => 7

2.3 Peek 操作

Peek 操作读取队首的项目,但是不改变队列。

image.png

上图中 7 是队首。 peek 操作只需返回队首 7 但是不修改队列。

queue.peek(); // => 7

2.4 length

length 操作返回队列中包含项目的数量。

image.png

上图中的队列有 4 项:462 和。7。结果队列长度为 4

queue.length; // => 4

2.5 队列操作的时间复杂度

关于队列所有操作的重点:enqueue,dequeue,peek 和 length 必须以常数时间复杂度 O(1) 执行。

常数时间复杂度 O(1) 意味着无论队列大小如何(不管是有 10 个还是 100 万个项目),这些操作都必须在相对一致的时间内执行。

3. 用 JavaScript 实现队列

来看一下怎样在保证所有操作必须以常数时间复杂度O(1) 要求实现队列这种数据结构。

class Queue {
  constructor() {
    this.items = {};
    this.headIndex = 0;
    this.tailIndex = 0;
  }

  enqueue(item) {
    this.items[this.tailIndex] = item;
    this.tailIndex++;
  }

  dequeue() {
    const item = this.items[this.headIndex];
    delete this.items[this.headIndex];
    this.headIndex++;
    return item;
  }

  peek() {
    return this.items[this.headIndex];
  }

  get length() {
    return this.tailIndex - this.headIndex;
  }
}

const queue = new Queue();

queue.enqueue(7);
queue.enqueue(2);
queue.enqueue(6);
queue.enqueue(4);

queue.dequeue(); // => 7

queue.peek();    // => 2

queue.length;    // => 3

const queue = new Queue() 是创建队列的实例。

queue.enqueue(7) 方法将 7 存入队列中。

queue.dequeue() 从队列中取出一个头部项目,而 queue.peek() 只读队首项。

最后的 Queue.Length 显示队列中还有多少个项目。

关于实现:在 Queue 类中,普通对象 this.Items 将队列的项目通过数值索引保持。 队首项的索引由 Where.HeadInex 跟踪,队尾项由 this.tailIndex 跟踪。

队列方法的复杂度

Queuequeue()dequeue()peek()length() 方法中存在:

  • 属性访问器(如:this.items[this.headIndex]),
  • 执行算数操作(如:this.headidex++

这些方法的时间复杂度是恒定的时间 O(1)

4. 总结

队列是一种遵循先入先出(FIFO)规则的的数据结构。

队列有 2 个主要操作:入队和出队。 另外,队列可以有辅助操作,例如 peek 和 length。

所有队列操作都必须以常数时间 O(1) 执行。

挑战一下:改进 dequeue()peek() 方法,当在空队列上执行时会抛出错误。

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