实战PHP数据结构基础之队列

实战PHP数据结构基础之队列

PHP小彩虹2021-08-21 17:32:23270A+A-

什么是队列

队列是另外一种遵循先进先出原则的线性数据结构。队列有两端可供操作,一端出队,一端入队。这个特点和栈不同,栈只有一端可以用来操作。入队总是在后端,出队在前端。

常见操作

  • enqueue -> 入队
  • dequeue -> 出队
  • peek -> 返回队列前端元素
  • isEmpty -> 是否为空

PHP实现

首先我们定义一个QueueInterface。

interface QueueInterface {
    public function enqueue(string $item);
    public function dequeue();
    public function isEmpty();
    public function peek();
}

来看基于数组的队列实现

class ArrQueue implements QueueInterface {
    private $queue;
    private $limit;

    public function __construct(int $limit = 0) {
       $this->limit = $limit;
       $this->queue = [];
    }

    public function isEmpty() {
        return empty($this->queue);
    }

    public function dequeue() {
        if ($this->isEmpty()) {
            throw new \UnderflowException('queue is empty');
        } else {
            array_shift($this->queue);
        }
    }

    public function enqueue(string $item) {
        if (count($this->queue) >= $this->limit) {
            throw new \OverflowException('queue is full');
        } else {
            array_unshift($this->queue, $item);
        }
    }

    public function peek() {
        return current($this->queue);
    }
}

得益于PHP强大的array结构,我们轻而易举的写出来了队列的基本操作方法。果然世界上最好的语言名不虚传。

可能机智的同学已经猜到了,我之前已经定义了一个队列接口,那队列的实现肯定不止只有上面一种哈。来看基于链表的实现。

class LinkedListQueue implements QueueInterface {
    private $limit;
    private $queue;

    public function __construct(int $limit = 0) {
        $this->limit = $limit;
        $this->queue = new LinkedList();
    }

    public function isEmpty() {
        return $this->queue->getSize() == 0;
    }

    public function peek() {
        return $this->queue->getNthNode(0)->data;
    }

    public function enqueue(string $item) {
        if ($this->queue->getSize() < $this->limit) {
            $this->queue->insert($item);
        } else {
            throw new \OverflowException('queue is full');
        }
    }

    public function dequeue() {
        if ($this->isEmpty()) {
            throw new \UnderflowException('queue is empty');
        } else {
            $lastItem = $this->peek();
            $this->queue->deleteFirst();

            return $lastItem;
        }
    }
}

里面涉及到了之前的链表实现,不了解细节的同学可以去这里看看。

Spl中的队列

强大的PHP已经内置了队列实现,可以使用的方法和上面我们自己实现的类似。

class SqlQueue {
    private $splQueue;

    public function __construct() {
        $this->splQueue = new \SplQueue();
    }

    public function enqueue(string $data = null) {
        $this->splQueue->enqueue($data);
    }

    public function dequeue() {
        return $this->splQueue->dequeue();
    }
}

优先队列

优先队列是一种特殊的队列,入队或者出队的顺序都是基于每个节点的权重。

顺序序列

优先队列可以分为有序优先队列和无序优先队列。有序优先队列又有两种情况,倒序或者顺序。在顺序序列中,我们可以迅速的找出最大或者最小优先级别的节点,复杂度是O(1)。但是插入的话会花费掉更多的时间,因为我们要检查每一个节点的优先级别然后插入到合适的位置。

无序序列

在无序序列中,在插入新节点的时候我们不需要根据他们的优先级确定位置。入队的时候像普通队列一样,插入到队列的末尾。但是当我们想移除优先级最高的元素的时候,我们要扫描每一个节点来确定移除优先级最高的那一个。接下来我们还是基于链表实现一个顺序的优先队列。

class LinkedListPriorityQueue {
    private $limit;
    private $queue;


    public function __construct(int $limit = 0) {
        $this->limit = $limit;
        $this->queue = new LinkedList();
    }

    public function enqueue(string $data = null, int $priority) {
        if ($this->queue->getSize() > $this->limit) {
            throw new \OverflowException('Queue is full');
        } else {
            $this->queue->insert($data, $priority);
        }
    }

    public function dequeue(): string {
        if ($this->isEmpty()) {
            throw new \UnderflowException('Queue is empty');
        } else {
            $item = $this->peek();
            $this->queue->deleteFirst();

            return $item->data;
        }
    }

    public function peek() {
        return $this->queue->getNthNode(0);
    }

    public function isEmpty() {
        return $this->queue->getSize() === 0;
    }
}

环形队列

为充分利用向量空间,克服"假溢出"现象的方法是:将向量空间想象为一个首尾相接的圆环,并称这种向量为循环向量。存储在其中的队列称为循环队列。环形队列也是一种数组,只是它在逻辑上把数组的头和尾相连,形成循环队列,当数组尾满的时候,要判断数组头是否为空,不为空继续存放数据。

class CircularQueue implements QueueInterface {
    private $queue;
    private $limit;
    private $front = 0;
    private $rear = 0;

    public function __construct(int $limit = 0) {
        $this->limit = $limit;
        $this->queue = [];
    }

    public function isEmpty() {
        return $this->front === $this->rear;
    }

    public function isFull() {
        $diff = $this->rear - $this->front;

        if ($diff == -1 || $diff == ($this->limit - 1)) {
            return true;
        }

        return false;
    }

    public function peek() {
        return $this->queue[$this->front];
    }

    public function dequeue() {
        if ($this->isEmpty()) {
            throw new \UnderflowException('Queue is empty');
        }

        $item = $this->queue[$this->front];
        $this->queue[$this->front] = null;
        $this->front = ($this->front + 1) % $this->limit;

        return $item;
    }

    public function enqueue(string $item) {
        if ($this->isFull()) {
            throw new \OverflowException('Queue is full');
        }

        $this->queue[$this->rear] = $item;
        $this->rear = ($this->rear + 1) % $this->limit;

    }
}

双端队列

截止目前我们所实现的队列都是在队尾(rear)入队,队首(front) 出队的结构。在特殊的情况下,我们希望不论是队首还是队尾都可以入队或者出队,这种结构就叫做双端队列。基于我们之前实现的链表结构,我们可以轻而易举的实现这样的结构。

class LinkedListDeQueue {
    private $limit = 0;
    private $queue;

    public function __construct(int $limit = 0) {
        $this->limit = $limit;
        $this->queue = new \DataStructure\LinkedList\LinkedList();
    }

    public function dequeueFromFront(): string {
        if ($this->isEmpty()) {
            throw new \UnderflowException('Queue is empty');
        }

        $item = $this->queue->getNthNode(0);
        $this->queue->deleteFirst();

        return $item->data;
    }

    public function dequeueFromBack(): string {
        if ($this->isEmpty()) {
            throw new \UnderflowException('Queue is empty');
        }

        $item = $this->queue->getNthNode($this->queue->getSize() - 1);
        $this->queue->deleteLast();

        return $item->data;
    }

    public function isFull() {
        return $this->queue->getSize() >= $this->limit;
    }

    public function enqueueAtBack(string $data = null) {
        if ($this->isFull()) {
            throw new \OverflowException('queue is full');
        }

        $this->queue->insert($data);
    }

    public function enqueueAtFront(string $data = null) {
        if ($this->isFull()) {
            throw new \OverflowException('queue is full');
        }

        $this->queue->insertAtFirst($data);
    }

    public function isEmpty() {
        return $this->queue->getSize() === 0;
    }

    public function peekFront() {
        return $this->queue->getNthNode(0)->data;
    }

    public function peekBack() {
        return $this->queue->getNthNode($this->queue->getSize() - 1)->data;
    }
}

里面涉及到了之前的链表实现,不了解细节的同学可以去这里看看。

总结

栈和队列是我们最常用的数据结构,我们会在其他的复杂数据结构中看到这两种抽象数据类型的应用。在下一章,我们继续学习PHP数据结构之递归,这是一种将复杂问题简单化的常用思路。

专题系列

PHP基础数据结构专题系列目录地址:github.com/... 主要使用PHP语法总结基础的数据结构和算法。还有我们日常PHP开发中容易忽略的基础知识和现代PHP开发中关于规范、部署、优化的一些实战性建议,同时还有对Javascript语言特点的深入研究。

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