设计前中后队列 : 图解极简队列解法 [Deque + 纯数组](含进阶链表)

题目描述

这是 LeetCode 上的 「1670. 设计前中后队列」 ,难度为 「中等」

Tag : 「数据结构」、「双端队列」、「队列」、「链表」

请你设计一个队列,支持在前,中,后三个位置的 pushpop 操作。

请你完成 FrontMiddleBack 类:

  • FrontMiddleBack() 初始化队列。
  • void pushFront(int val)val 添加到队列的 最前面 。
  • void pushMiddle(int val)val 添加到队列的 正中间 。
  • void pushBack(int val)val 添加到队里的 最后面 。
  • int popFront() 将最前面的元素从队列中删除并返回值,如果删除之前队列为空,那么返回 -1
  • int popMiddle() 将正中间的元素从队列中删除并返回值,如果删除之前队列为空,那么返回 -1
  • int popBack() 将 最后面 的元素从队列中删除并返回值,如果删除之前队列为空,那么返回 -1

请注意当有 两个 中间位置的时候,选择靠前面的位置进行操作。比方说:

  • 6 添加到 [1, 2, 3, 4, 5] 的中间位置,结果数组为 [1, 2, 6, 3, 4, 5]
  • [1, 2, 3, 4, 5, 6] 的中间位置弹出元素,返回 3,数组变为 [1, 2, 4, 5, 6]

示例 1:

输入:
["FrontMiddleBackQueue""pushFront""pushBack""pushMiddle""pushMiddle""popFront""popMiddle""popMiddle""popBack""popFront"]
[[], [1], [2], [3], [4], [], [], [], [], []]

输出:
[null, null, null, null, null, 1, 3, 4, 2, -1]

解释:
FrontMiddleBackQueue q = new FrontMiddleBackQueue();
q.pushFront(1);   // [1]
q.pushBack(2);    // [1, 2]
q.pushMiddle(3);  // [1, 3, 2]
q.pushMiddle(4);  // [1, 4, 3, 2]
q.popFront();     // 返回 1 -> [4, 3, 2]
q.popMiddle();    // 返回 3 -> [4, 2]
q.popMiddle();    // 返回 4 -> [2]
q.popBack();      // 返回 2 -> []
q.popFront();     // 返回 -1 -> [] (队列为空)

提示:

  • 最多调用 pushFrontpushMiddlepushBackpopFrontpopMiddlepopBack

双端队列

只要求在头部或尾部高效插入/弹出元素的话,容易联想到双端队列。

还需要考虑往中间插入/弹出元素的话,会想到使用两个双端队列。

将两个双端队列分别称为 lr,把 lr 拼接起来就是完整元素列表:

alt

由于双端队列本身支持 首尾操作,问题的关键在于如何确保涉及 Middle 操作的高效性。

我们可以设计一个 update 方法,用于确保两队列的相对平衡:

  • 当元素总个数为偶数时,确保两队列元素相等
  • 当元素总个数为奇数时,确保 r 队列比 l 队列元素多一个

如此一来,当我们需要往 Middle 插入元素时,始终往 l 的尾部插入即可;而当需要读取 Middle 位置元素时,根据两队列的元素个数关系决定是从 l 的尾部还是从 r 的头部取元素。

以下是对上述代码中几个操作的简短实现说明:

  • pushFront:将元素添加到 l 队列的头部,调用 update 保持队列平衡
  • pushMiddle:将元素添加到 l 队列的尾部,调用 update 保持队列平衡
  • pushBack:将元素添加到 r 队列的尾部,调用 update 保持队列平衡
  • popFront:若 l 队列不为空,从 l 队列的头部弹出一个元素;否则,从 r 队列的头部弹出一个元素(当且仅当元素个数为 时,队列 l 为空,唯一元素在队列 r 中),调用 update 保持队列平衡
  • popMiddle:若 l 队列和 r 队列的大小相等,则从 l 队列的尾部弹出一个元素;否则,从 r 队列的头部弹出一个元素。调用 update 保持队列平衡
  • popBack:从 r 队列的尾部弹出一个元素,调用 update 保持队列平衡

双端队列的实现,可通过「数组 + 首尾坐标指针」来实现。为方便大家理清脉络,先使用语言自带的 Deque 实现一版。

Java 代码(Deque 版):

class FrontMiddleBackQueue {
    Deque<Integer> l = new ArrayDeque<>(1010), r = new ArrayDeque<>(1010);
    public void pushFront(int val) {
        l.addFirst(val);
        update();
    }
    public void pushMiddle(int val) {
        l.addLast(val);
        update();
    }
    public void pushBack(int val) {
        r.addLast(val);
        update();
    }
    public int popFront() {
        if (l.size() + r.size() == 0return -1;
        int ans = l.size() != 0 ? l.pollFirst() : r.pollFirst();
        update();
        return ans;
    }
    public int popMiddle() {
        if (l.size() + r.size() == 0return -1;
        int ans = l.size() == r.size() ? l.pollLast() : r.pollFirst();
        update();
        return ans;
    }
    public int popBack() {
        if (l.size() + r.size() == 0return -1;
        int ans = r.pollLast();
        update();
        return ans;
    }
    void update() {
        while (l.size() > r.size()) r.addFirst(l.pollLast());
        while (r.size() - l.size() > 1) l.addLast(r.pollFirst());
    }
}

看过 Deque 实现版本,考虑如何使用数组实现。

各类操作的总调用次数最多为 次,我们可创建大小为 的数组,并从下标 (接近中间位置)开始进行存储,这样无论是从前还是往后存数都不会越界。

使用 lhelta 代表队列 l 的头部和尾部坐标,使用 rherta 代表队列 r 的头部和尾部坐标,所有坐标初始值均为

需要注意的是,ta(无论是 lta 还是 rta)是严格指向尾部,因此如果要往尾部插数的话,需要先对指针自增(移到下一个空闲位置),再赋值;而 he(无论是 lhe 还是 rhe)是指向实际队列头部的前一位置,需要先赋值再前移。当 he = ta 代表队列为空。

Java 代码(纯数组版):

class FrontMiddleBackQueue {
    int[] l = new int[2010], r = new int[2010];
    int lhe = 1010, lta = 1010, rhe = 1010, rta = 1010;
    public void pushFront(int val) {
        l[lhe--] = val;
        update();
    }
    public void pushMiddle(int val) {
        l[++lta] = val;
        update();
    }
    public void pushBack(int val) {
        r[++rta] = val;
        update();
    }
    public int popFront() {
        if (getSize(lhe, lta) == 0 && getSize(rhe, rta) == 0return -1;
        int ans = getSize(lhe, lta) != 0 ? l[++lhe] : r[++rhe];
        update();
        return ans;
    }
    public int popMiddle() {
        if (getSize(lhe, lta) + getSize(rhe, rta) == 0return -1;
        int ans = getSize(lhe, lta) == getSize(rhe, rta) ? l[lta--] : r[++rhe];
        update();
        return ans;
    }
    public int popBack() {
        if (getSize(lhe, lta) == 0 && getSize(rhe, rta) == 0return -1;
        int ans = r[rta--];
        update();
        return ans;
    }
    int getSize(int he, int ta) {
        return ta - he;
    }
    void update() {
        while (getSize(lhe, lta) > getSize(rhe, rta)) r[rhe--] = l[lta--];
        while (getSize(rhe, rta) - getSize(lhe, lta) > 1) l[++lta] = r[++rhe];
    }
}

C++ 代码:

class FrontMiddleBackQueue {
public:
    int l[2010], r[2010], lhe = 1010, lta = 1010, rhe = 1010, rta = 1010;
    void pushFront(int val) {
        l[lhe--] = val;
        update();
    }
    void pushMiddle(int val) {
        l[++lta] = val;
        update();
    }
    void pushBack(int val) {
        r[++rta] = val;
        update();
    }
    int popFront() {
        if (getSize(lhe, lta) == 0 && getSize(rhe, rta) == 0return -1;
        int ans = getSize(lhe, lta) != 0 ? l[++lhe] : r[++rhe];
        update();
        return ans;
    }
    int popMiddle() {
        if (getSize(lhe, lta) == 0 && getSize(rhe, rta) == 0return -1;
        int ans = getSize(lhe, lta) == getSize(rhe, rta) ? l[lta--] : r[++rhe];
        update();
        return ans;
    }
    int popBack() {
        if (getSize(lhe, lta) == 0 && getSize(rhe, rta) == 0return -1;
        int ans = r[rta--];
        update();
        return ans;
    }
    int getSize(int he, int ta) {
        return ta - he;
    }
    void update() {
        while (getSize(lhe, lta) > getSize(rhe, rta)) r[rhe--] = l[lta--];
        while (getSize(rhe, rta) - getSize(lhe, lta) > 1) l[++lta] = r[++rhe];
    }
};

Python 代码:

class FrontMiddleBackQueue:
    def __init__(self):
        self.l, self.r = [0] * 2010, [0] * 2010
        self.r = [0] * 2010
        self.lhe, self.lta, self.rhe, self.rta = 1010101010101010

    def pushFront(self, val: int) -> None:
        self.l[self.lhe] = val
        self.lhe -= 1
        self.update()

    def pushMiddle(self, val: int) -> None:
        self.lta += 1
        self.l[self.lta] = val
        self.update()

    def pushBack(self, val: int) -> None:
        self.rta += 1
        self.r[self.rta] = val
        self.update()

    def popFront(self) -> int:
        if self.getSize(self.lhe, self.lta) + self.getSize(self.rhe, self.rta) == 0:
            return -1
        if self.getSize(self.lhe, self.lta) != 0:
            self.lhe += 1
            ans = self.l[self.lhe]
        else:
            self.rhe += 1
            ans = self.r[self.rhe]
        self.update()
        return ans

    def popMiddle(self) -> int:
        if self.getSize(self.lhe, self.lta) + self.getSize(self.rhe, self.rta) == 0:
            return -1
        if self.getSize(self.lhe, self.lta) == self.getSize(self.rhe, self.rta):
            ans = self.l[self.lta]
            self.lta -= 1
        else:
            self.rhe += 1
            ans = self.r[self.rhe]
        self.update()
        return ans

    def popBack(self) -> int:
        if self.getSize(self.lhe, self.lta) + self.getSize(self.rhe, self.rta) == 0:
            return -1
        ans = self.r[self.rta]
        self.rta -= 1
        self.update()
        return ans

    def getSize(self, he: int, ta: int) -> int:
        return ta - he

    def update(self) -> None:
        while self.getSize(self.lhe, self.lta) > self.getSize(self.rhe, self.rta):
            self.r[self.rhe] = self.l[self.lta]
            self.rhe -= 1
            self.lta -= 1
        while self.getSize(self.rhe, self.rta) - self.getSize(self.lhe, self.lta) > 1:
            self.lta += 1
            self.rhe += 1
            self.l[self.lta] = self.r[self.rhe]

TypeScript 代码:

class FrontMiddleBackQueue {
    private l: number[];
    private r: number[];
    private lhe: number;
    private lta: number;
    private rhe: number;
    private rta: number;
    constructor() {
        this.l = Array(2010).fill(0), this.r = Array(2010).fill(0);
        this.lhe = 1010this.lta = 1010this.rhe = 1010this.rta = 1010;
    }
    pushFront(val: number): void {
        this.l[this.lhe--] = val;
        this.update();
    }
    pushMiddle(val: number): void {
        this.l[++this.lta] = val;
        this.update();
    }
    pushBack(val: number): void {
        this.r[++this.rta] = val;
        this.update();
    }
    popFront(): number {
        if (this.getSize(this.lhe, this.lta) + this.getSize(this.rhe, this.rta) == 0return -1;
        const ans = this.getSize(this.lhe, this.lta) != 0 ? this.l[++this.lhe] : this.r[++this.rhe];
        this.update();
        return ans;
    }
    popMiddle(): number {
        if (this.getSize(this.lhe, this.lta) + this.getSize(this.rhe, this.rta) == 0return -1;
        const ans = this.getSize(this.lhe, this.lta) == this.getSize(this.rhe, this.rta) ? this.l[this.lta--] : this.r[++this.rhe];
        this.update();
        return ans;
    }
    popBack(): number {
        if (this.getSize(this.lhe, this.lta) + this.getSize(this.rhe, this.rta) == 0return -1;
        const ans = this.r[this.rta--];
        this.update();
        return ans;
    }
    private getSize(he: number, ta: number): number {
        return ta - he;
    }
    private update(): void {
        while (this.getSize(this.lhe, this.lta) > this.getSize(this.rhe, this.rta)) this.r[this.rhe--] = this.l[this.lta--];
        while (this.getSize(this.rhe, this.rta) - this.getSize(this.lhe, this.lta) > 1this.l[++this.lta] = this.r[++this.rhe];
    }
}
  • 时间复杂度:所有操作复杂度均为
  • 空间复杂度:

进阶

更进一步,使用双向链表并与实现 update 类似效果,维护 Middle 位置的元素节点,同样可实现 各项操作,你能完成吗?

与纯数组版相比,使用链表好处在于可严格按需创建。

class Node {
    Node prev, next;
    int val;
    Node (int _val) {
        val = _val;
    }
}
class FrontMiddleBackQueue {
    Node he, ta, mid;
    int lsz, rsz;
    public FrontMiddleBackQueue() {
        he = new Node(-1); ta = new Node(-1);
        he.next = ta; ta.prev = he;
        mid = ta;
        lsz = rsz = 0;
    }
    public void pushFront(int val) {
        Node cur = new Node(val);
        cur.next = he.next;
        cur.prev = he;
        he.next.prev = cur;
        he.next = cur;
        lsz++;
        update();
    }
    public void pushMiddle(int val) {
        Node cur = new Node(val);
        cur.next = mid;
        cur.prev = mid.prev;
        mid.prev.next = cur;
        mid.prev = cur;
        lsz++;
        update();
    }
    public void pushBack(int val) {
        Node cur = new Node(val);
        cur.next = ta;
        cur.prev = ta.prev;
        ta.prev.next = cur;
        ta.prev = cur;
        rsz++;
        update();
    }
    public int popFront() {
        if (lsz + rsz == 0return -1;
        int ans = he.next.val;
        he.next.next.prev = he;
        he.next = he.next.next;
        lsz--;
        update();
        return ans;
    }
    public int popMiddle() {
        if (lsz + rsz == 0return -1;
        Node realMid = null;
        if (lsz == rsz) {
            realMid = mid.prev;
            lsz--;
        } else {
            realMid = mid;
            mid = mid.next;
            rsz--;
        }
        int ans = realMid.val;
        realMid.prev.next = realMid.next;
        realMid.next.prev = realMid.prev;
        realMid = realMid.next;
        update();
        return ans;
    }
    public int popBack() {
        if (lsz + rsz == 0return -1;
        int ans = ta.prev.val;
        ta.prev.prev.next = ta;
        ta.prev = ta.prev.prev;
        rsz--;
        update();
        return ans;
    }
    void update() {
        while (lsz > rsz) {
            mid = mid.prev;
            lsz--; rsz++;
        }
        while (rsz - lsz > 1) {
            mid = mid.next;
            lsz++; rsz--;
        }
        if (lsz + rsz == 1) mid = ta.prev;
        if (lsz + rsz == 0) mid = ta;
    }
}

最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.1670 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。

为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码,我建立了相关的仓库:https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode 。

在仓库地址里,你可以看到系列文章的题解链接、系列文章的相应代码、LeetCode 原题链接和其他优选题解。

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欢迎关注博主 Mindtechnist 或加入【Linux C/C/Python社区】一起学习和分享Linux、C、C、Python、Matlab&#xff0c;机器人运动控制、多机器人协作&#xff0c;智能优化算法&#xff0c;滤波估计、多传感器信息融合&#xff0c;机器学习&#xff0c;人工智能等相关领域的知识和…

Leetcode—828.统计子串中的唯一字符【困难】

2023每日刷题&#xff08;四十一&#xff09; Leetcode—828.统计子串中的唯一字符 算法思想 枚举所有种类字母在s中出现的位置&#xff0c;分别统计只包含这个字母不包含该类字母中其他字母的子串个数 实现代码 int uniqueLetterString(char* s) {int len strlen(s);cha…

四川天蝶电子商务有限公司真实可靠吗?

随着数字经济的不断发展&#xff0c;抖音电商服务日益成为企业拓展销售渠道、提升品牌影响力的关键一环。在这样的大背景下&#xff0c;四川天蝶电子商务有限公司凭借其专业的服务能力和创新的技术手段&#xff0c;迅速崛起为抖音电商服务领域的领军企业。 四川天蝶电子商务有限…

【解决方案】基于边缘计算技术的安科瑞综合管廊能效管理平台

平台背景 综合管廊一般是建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施&#xff0c;将电力、自来水、热力、煤气、电信、网络等市政公用管线根据规划要求集中敷设在同一个构建物内&#xff0c;实施统一设计、施工、管理的市政公用隧道空间&#xff0c;并且还…

NAS层协议学习(三)

消息结构 每个NAS消息包含一个协议鉴别符和一个消息标识。协议鉴别符是一个 4 位值&#xff0c;指示正在使用的协议&#xff0c;即对于 EPS NAS 消息是 EMM 或 ESM。消息标识指示发送的特定消息。 EMM 消息还包含一个安全标头&#xff0c;指示消息是否受到完整性保护和/或加密…

DS图—图的最短路径/Dijkstra算法【数据结构】

DS图—图的最短路径/Dijkstra算法【数据结构】 题目描述 给出一个图的邻接矩阵&#xff0c;输入顶点v&#xff0c;用迪杰斯特拉算法求顶点v到其它顶点的最短路径。 输入 第一行输入t&#xff0c;表示有t个测试实例 第二行输入顶点数n和n个顶点信息 第三行起&#xff0c;每行…

【链接MySQL】教你用VBA链接MySQL数据库

hi&#xff0c;大家好呀&#xff01; 之前呢&#xff0c;给大家分享过一个自制链接表管理器的文章&#xff0c;文章中有链接SQL Server数据库的代码&#xff0c;大家对这一段代码比较有兴趣&#xff0c;既然大家有兴趣&#xff0c;那我们今天就来讲一下链接数据库的代码。 这…