LC 641. 设计循环双端队列

题目描述

这是 LeetCode 上的 641. 设计循环双端队列 ，难度为中等。

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 $k$ 。
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：

$1 <= k <= 1000$
$0 <= value <= 1000$
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 $O(k)$ 以外，其余操作均为 $O(1)$。

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 $3$ 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 $k$ 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 $0$），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 $O(k)$ 以外，其余操作复杂度均为 $O(1)$
空间复杂度：$O(n)$

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 $O(1)$
空间复杂度：$O(n)$

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。

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。

链表数据结构数组

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