641. 设计循环双端队列 : 数据结构模拟题
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题目描述
这是 LeetCode 上的 641. 设计循环双端队列 ，难度为 中等。
Tag : 「数组」、「链表」、「数据结构」
设计实现双端队列。
实现 MyCircularDeque 类:
MyCircularDeque(int k)：构造函数,双端队列最大为 kkk 。boolean insertFront()：将一个元素添加到双端队列头部。 如果操作成功返回true，否则返回false。boolean insertLast()：将一个元素添加到双端队列尾部。如果操作成功返回true，否则返回false。boolean deleteFront()：从双端队列头部删除一个元素。 如果操作成功返回true，否则返回false。boolean deleteLast()：从双端队列尾部删除一个元素。如果操作成功返回true，否则返回false。int getFront()：从双端队列头部获得一个元素。如果双端队列为空，返回-1。int getRear()：获得双端队列的最后一个元素。 如果双端队列为空，返回-1。boolean isEmpty()：若双端队列为空，则返回true，否则返回false。boolean isFull()：若双端队列满了，则返回true，否则返回false。
示例 1：
输入
["MyCircularDeque", "insertLast", "insertLast", "insertFront", "insertFront", "getRear", "isFull", "deleteLast", "insertFront", "getFront"]
[[3], [1], [2], [3], [4], [], [], [], [4], []]
输出
[null, true, true, true, false, 2, true, true, true, 4]
解释
MyCircularDeque circularDeque = new MycircularDeque(3); // 设置容量大小为3
circularDeque.insertLast(1); // 返回 true
circularDeque.insertLast(2); // 返回 true
circularDeque.insertFront(3); // 返回 true
circularDeque.insertFront(4); // 已经满了，返回 false
circularDeque.getRear(); // 返回 2
circularDeque.isFull(); // 返回 true
circularDeque.deleteLast(); // 返回 true
circularDeque.insertFront(4); // 返回 true
circularDeque.getFront(); // 返回 4
提示：
- 1<=k<=10001 <= k <= 10001<=k<=1000
- 0<=value<=10000 <= value <= 10000<=value<=1000
insertFront,insertLast,deleteFront,deleteLast,getFront,getRear,isEmpty,isFull调用次数不大于2000次
基本分析
一个基本的实现，需要满足除构造函数以外复杂度为 O(k)O(k)O(k) 以外，其余操作均为 O(1)O(1)O(1)。
常规实现包含两种方式：数组实现 与 链表实现。
其中数组实现可以利用调用次数较小，开成调用次数 333 倍大小，然后从中间开始往两边存储，这样做就不用考虑下标边的界问题；而更为常规的解法是构造一个与限定空间 kkk 等大的数组，使用两下标并配合坐标转换来做，对于下标自增操作而言，只需要进行「加一取模」即可，而对于下标自减操作，由于考虑负值问题，需要进行「增加限定空间偏移后，进行减一再取模」。
而链表实现则无须考虑额外的下标转换问题，但需要额外定义类。
数组
使用两坐标 he 和 ta 分别代表队列头和尾（初始值均为 000），使用 cnt 记录当前队列元素大小，使用 k 记录初始化时指定的空间大小。
对各类操作进行逻辑控制：
insertFront操作：需要对he进行自减操作，即he = (he + k - 1) % k为目标位置，同时对cnt进行自增；insertLast操作：需要对ta进行自增操作，但ta起始指向是待插入位置，因此ta为目标位置，随后更新ta = (ta + 1) % k，同时对cnt进行自增；deleteFront操作：需要对he进行自增操作，直接更新he = (he + 1) % k，同时更新cnt进行自减；deleteLast操作：需要对ta进行自减操作，更新ta = (ta + k - 1) % k，同时更新cnt进行自减；getFront操作：返回nums[he]即可， 若isFull为True，返回-1；getRear操作：返回nums[ta - 1]，由于存在负值问题，需要转换为返回nums[(ta + k - 1) % k]若isFull为True，返回-1；isEmpty操作：根据cnt与k的关系进行返回；isFull操作：根据cnt与k的关系进行返回；
Java 代码：
class MyCircularDeque {
int[] nums;
int he, ta, cnt, k;
public MyCircularDeque(int _k) {
k = _k;
nums = new int[k];
}
public boolean insertFront(int value) {
if (isFull()) return false;
he = (he + k - 1) % k;
nums[he] = value; cnt++;
return true;
}
public boolean insertLast(int value) {
if (isFull()) return false;
nums[ta++] = value; cnt++;
ta %= k;
return true;
}
public boolean deleteFront() {
if (isEmpty()) return false;
he = (he + 1) % k; cnt--;
return true;
}
public boolean deleteLast() {
if (isEmpty()) return false;
ta = (ta + k - 1) % k; cnt--;
return true;
}
public int getFront() {
return isEmpty() ? -1 : nums[he];
}
public int getRear() {
return isEmpty() ? -1 : nums[(ta + k - 1) % k];
}
public boolean isEmpty() {
return cnt == 0;
}
public boolean isFull() {
return cnt == k;
}
}
TypeScript 代码：
class MyCircularDeque {
he = 0; ta = 0; cnt = 0; k = 0;
nums: number[];
constructor(_k: number) {
this.k = _k
this.he = this.ta = this.cnt = 0
this.nums = new Array<number>(this.k)
}
insertFront(value: number): boolean {
if (this.isFull()) return false
this.he = (this.he + this.k - 1) % this.k
this.nums[this.he] = value
this.cnt++
return true
}
insertLast(value: number): boolean {
if (this.isFull()) return false
this.nums[this.ta++] = value
this.ta %= this.k
this.cnt++
return true
}
deleteFront(): boolean {
if (this.isEmpty()) return false
this.he = (this.he + 1) % this.k
this.cnt--
return true
}
deleteLast(): boolean {
if (this.isEmpty()) return false
this.ta = (this.ta + this.k - 1) % this.k
this.cnt--
return true
}
getFront(): number {
return this.isEmpty() ? -1 : this.nums[this.he]
}
getRear(): number {
return this.isEmpty() ? -1 : this.nums[(this.ta + this.k - 1) % this.k]
}
isEmpty(): boolean {
return this.cnt == 0
}
isFull(): boolean {
return this.cnt == this.k
}
}
- 时间复杂度：除在初始化函数中构造容器复杂度为 O(k)O(k)O(k) 以外，其余操作复杂度均为 O(1)O(1)O(1)
- 空间复杂度：O(n)O(n)O(n)
链表
创建 Node 代指每个操作的元素，使用双向链表来构造循环队列。
各类操作均对应基本的链表操作，不再赘述。
Java 代码：
class MyCircularDeque {
class Node {
Node prev, next;
int val;
Node (int _val) {
val = _val;
}
}
int cnt, k;
Node he, ta;
public MyCircularDeque(int _k) {
k = _k;
he = new Node(-1); ta = new Node(-1);
he.next = ta; ta.prev = he;
}
public boolean insertFront(int value) {
if (isFull()) return false;
Node node = new Node(value);
node.next = he.next;
node.prev = he;
he.next.prev = node;
he.next = node;
cnt++;
return true;
}
public boolean insertLast(int value) {
if (isFull()) return false;
Node node = new Node(value);
node.next = ta;
node.prev = ta.prev;
ta.prev.next = node;
ta.prev = node;
cnt++;
return true;
}
public boolean deleteFront() {
if (isEmpty()) return false;
he.next.next.prev = he;
he.next = he.next.next;
cnt--;
return true;
}
public boolean deleteLast() {
if (isEmpty()) return false;
ta.prev.prev.next = ta;
ta.prev = ta.prev.prev;
cnt--;
return true;
}
public int getFront() {
return isEmpty() ? -1 : he.next.val;
}
public int getRear() {
return isEmpty() ? -1 : ta.prev.val;
}
public boolean isEmpty() {
return cnt == 0;
}
public boolean isFull() {
return cnt == k;
}
}
TypeScript 代码：
class TNode {
prev: TNode = null; next: TNode = null;
val: number = 0;
constructor(_val: number) {
this.val = _val
}
}
class MyCircularDeque {
he = null; ta = null;
cnt = 0; k = 0;
constructor(_k: number) {
this.cnt = 0; this.k = _k;
this.he = new TNode(-1); this.ta = new TNode(-1);
this.he.next = this.ta
this.ta.prev = this.he
}
insertFront(value: number): boolean {
if (this.isFull()) return false
const node = new TNode(value)
node.next = this.he.next
node.prev = this.he
this.he.next.prev = node
this.he.next = node
this.cnt++
return true
}
insertLast(value: number): boolean {
if (this.isFull()) return false
const node = new TNode(value)
node.next = this.ta
node.prev = this.ta.prev
this.ta.prev.next = node
this.ta.prev = node
this.cnt++
return true
}
deleteFront(): boolean {
if (this.isEmpty()) return false
this.he.next.next.prev = this.he
this.he.next = this.he.next.next
this.cnt--
return true
}
deleteLast(): boolean {
if (this.isEmpty()) return false
this.ta.prev.prev.next = this.ta
this.ta.prev = this.ta.prev.prev
this.cnt--
return true
}
getFront(): number {
return this.isEmpty() ? -1 : this.he.next.val
}
getRear(): number {
return this.isEmpty() ? -1 : this.ta.prev.val
}
isEmpty(): boolean {
return this.cnt == 0
}
isFull(): boolean {
return this.cnt == this.k
}
}
- 时间复杂度：所有操作复杂度均为 O(1)O(1)O(1)
- 空间复杂度：O(n)O(n)O(n)
最后
这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.641 篇，系列开始于 2021/01/01，截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目，部分是有锁题，我们将先把所有不带锁的题目刷完。
在这个系列文章里面，除了讲解解题思路以外，还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。
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