LC 622. 设计循环队列

题目描述

这是 LeetCode 上的 622. 设计循环队列 ，难度为 中等。

设计你的循环队列实现。

循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环，它也被称为“环形缓冲器”。

循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。

在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。

但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。

你的实现应该支持如下操作：

• MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 $k$ 。
• Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 $-1$ 。
• Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 $-1$ 。
• enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
• deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
• isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
• isFull(): 检查循环队列是否已满。

示例：

MyCircularQueue circularQueue = new MyCircularQueue(3); // 设置长度为 3
circularQueue.enQueue(1);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(2);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(3);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(4);  // 返回 false，队列已满
circularQueue.Rear();  // 返回 3
circularQueue.isFull();  // 返回 true
circularQueue.deQueue();  // 返回 true
circularQueue.enQueue(4);  // 返回 true
circularQueue.Rear();  // 返回 4

提示：

• 所有的值都在 $0$ 至 $1000$ 的范围内；
• 操作数将在 $1$ 至 $1000$ 的范围内；
• 请不要使用内置的队列库。

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数据结构

创建一个长度为 $k$ 的数组充当循环队列，使用两个变量 he 和 ta 来充当队列头和队列尾（起始均为 $0$），整个过程 he 始终指向队列头部，ta 始终指向队列尾部的下一位置（待插入元素位置）。

两变量始终自增，通过与 $k$ 取模来确定实际位置。

分析各类操作的基本逻辑：

• isEmpty 操作：当 he 和 ta 相等，队列存入元素和取出元素的次数相同，此时队列为空；
• isFull 操作：ta - he 即队列元素个数，当元素个数为 $k$ 个时，队列已满；
• enQueue 操作：若队列已满，返回 $-1$，否则在 nums[ta % k] 位置存入目标值，并将 ta 指针后移；
• deQueue 操作：若队列为空，返回 $-1$，否则将 he 指针后移，含义为弹出队列头部元素；
• Front 操作：若队列为空，返回 $-1$，否则返回 nums[he % k] 队头元素；
• Rear 操作：若队列为空，返回 $-1$，否则返回 nums[(ta - 1) % k] 队尾元素；

Java 代码：

class MyCircularQueue {
    int k, he, ta;
    int[] nums;
    public MyCircularQueue(int _k) {
        k = _k;
        nums = new int[k];
    }
    public boolean enQueue(int value) {
        if (isFull()) return false;
        nums[ta % k] = value;
        return ++ta >= 0;
    }
    public boolean deQueue() {
        if (isEmpty()) return false;
        return ++he >= 0;
    }
    public int Front() {
        return isEmpty() ? -1 : nums[he % k];
    }
    public int Rear() {
        return isEmpty() ? -1 : nums[(ta - 1) % k];
    }
    public boolean isEmpty() {
        return he == ta;
    }
    public boolean isFull() {
        return ta - he == k;
    }
}

C++ 代码：

class MyCircularQueue {
public:
    int k, he, ta;
    vector<int> nums;
    MyCircularQueue(int _k) {
        k = _k;
        he = ta = 0;
        nums.resize(k);
    }
    bool enQueue(int value) {
        if (isFull()) return false;
        nums[ta % k] = value;
        return ++ta >= 0;
    }
    bool deQueue() {
        if (isEmpty()) return false;
        return ++he >= 0;
    }
    int Front() {
        return isEmpty() ? -1 : nums[he % k];
    }
    int Rear() {
        return isEmpty() ? -1 : nums[(ta - 1) % k];
    }
    bool isEmpty() {
        return he == ta;
    }
    bool isFull() {
        return ta - he == k;
    }
};

Python 代码：

class MyCircularQueue:
    def __init__(self, _k):
        self.k = _k
        self.he = self.ta = 0
        self.nums = [0] * _k

    def enQueue(self, value):
        if self.isFull(): return False
        self.nums[self.ta % self.k] = value
        self.ta += 1
        return self.ta >= 0

    def deQueue(self):
        if self.isEmpty(): return False
        self.he += 1
        return self.he >= 0

    def Front(self):
        return -1 if self.isEmpty() else self.nums[self.he % self.k]

    def Rear(self):
        return -1 if self.isEmpty() else self.nums[(self.ta - 1) % self.k]

    def isEmpty(self):
        return self.he == self.ta

    def isFull(self):
        return self.ta - self.he == self.k

TypeScript 代码：

class MyCircularQueue {
    k: number = 0; he: number = 0; ta: number = 0;
    nums: number[];
    constructor(k: number) {
        this.k = k
        this.nums = new Array<number>(this.k)
    }
    enQueue(value: number): boolean {
        if (this.isFull()) return false
        this.nums[this.ta % this.k] = value
        return this.ta++ >= 0
    }
    deQueue(): boolean {
        if (this.isEmpty()) return false
        return this.he++ >= 0
    }
    Front(): number {
        return this.isEmpty() ? -1 : this.nums[this.he % this.k]
    }
    Rear(): number {
        return this.isEmpty() ? -1 : this.nums[(this.ta - 1) % this.k]
    }
    isEmpty(): boolean {
        return this.he == this.ta
    }
    isFull(): boolean {
        return this.ta - this.he == this.k
    }
}

• 时间复杂度：构造函数复杂度为 $O(k)$，其余操作复杂度为 $O(1)$
• 空间复杂度：$O(k)$

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最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.622 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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