题目

链接：622. 设计循环队列
难度：Medium

题干


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

题解

循环队列

这道题比较朴实，就是实现一个循环队列，相信对任何一个学过数据结构的人来说都没什么问题，这里用一张动图来简单演示一下。
循环队列演示

实现

按照上图演示很容易就能实现出一个版本：

class MyCircularQueue {
public:
    /** Initialize your data structure here. Set the size of the queue to be k. */
    MyCircularQueue(int k) {
        a = new int[k];
        head = -1;
        tail = -1;
        size = k;
    }

    /** Insert an element into the circular queue. Return true if the operation is successful. */
    bool enQueue(int value) {
        if(isFull())    return false;
        if(isEmpty())   head = 0;
        tail = (tail + 1) % size;
        a[tail] = value;
        return true;
    }

    /** Delete an element from the circular queue. Return true if the operation is successful. */
    bool deQueue() {
        if(isEmpty())   return false;
        if(head == tail) {
            head = tail = -1;
            return true;
        }
        head = (head + 1) % size;
        return true;
    }

    /** Get the front item from the queue. */
    int Front() {
        if(isEmpty())   return -1;
        return a[head];
    }

    /** Get the last item from the queue. */
    int Rear() {
        if(isEmpty())   return -1;
        return a[tail];
    }

    /** Checks whether the circular queue is empty or not. */
    bool isEmpty() {
        return head == -1;
    }

    /** Checks whether the circular queue is full or not. */
    bool isFull() {
        return (tail + 1) % size == head;
    }

private:
    int* a;
    int head;
    int tail;
    int size;
};

提交之后顺利通过了全部52个测试用例，用时32ms。虽然已经超过了99.17%的提交记录，但并不属于第一梯队。阅读第一梯队源码后发现：他们采用了一个变量来存储当前队列长度，只增加了一个变量但却大大简化了各种基本操作的判断逻辑，导致他们的代码时间性能更加良好。

于是就有了第二版：

class MyCircularQueue {
public:
    /** Initialize your data structure here. Set the size of the queue to be k. */
    MyCircularQueue(int k) {
        size = k;
        head = 0;
        tail = 0;
        len = 0;
        a = new int[k];
    }

    /** Insert an element into the circular queue. Return true if the operation is successful. */
    bool enQueue(int value) {
        if(isFull())    return false;
        a[tail] = value;
        tail = (tail + 1) % size;
        len++;
        return true;
    }

    /** Delete an element from the circular queue. Return true if the operation is successful. */
    bool deQueue() {
        if(isEmpty())   return false;
        head = (head + 1) % size;
        len--;
        return true;
    }

    /** Get the front item from the queue. */
    int Front() {
        if(isEmpty())   return -1;
        return a[head];
    }

    /** Get the last item from the queue. */
    int Rear() {
        if(isEmpty())   return -1;
        return a[(tail - 1 + size) % size];
    }

    /** Checks whether the circular queue is empty or not. */
    bool isEmpty() {
        return len == 0;
    }

    /** Checks whether the circular queue is full or not. */
    bool isFull() {
        return len == size;
    }

private:
    int *a;
    int head;
    int tail;
    int size;
    int len;
};

满怀期待地提交了代码，然而用时36ms，反而比第一个版本更慢了。无奈，再次点开了第一梯队的示例代码，比对之后终于定位了问题所在：++i和i+1的时间效率不同。

++i, i++, i=i+1的时间效率

  • ++i：对i的值进行增一，然后返回i的值作为表达式的值。
  • i++：对i的值进行增一，然后返回加一之前的i的值作为表达式的值。这就要求系统不得不开辟一个新的临时变量来存储i的值。

  • i=i+1：把i的值增一，然后把计算结果赋值给变量i。这里多了一个赋值操作。
    我写了下面的代码来帮助理解其语义：

    // ++i
i += 1;
return i;

// i++
tmp = i;
i += 1;
return tmp;

// i = i + 1;
tmp = i + 1;
i = tmp;
return i;

    以上代码仅是为了方便理解，无实际意义


于是，第三个版本就出现了：

class MyCircularQueue {
public:
  /** Initialize your data structure here. Set the size of the queue to be k. */
  MyCircularQueue(int k) {
      a = new int[k];
      head = 0;
      tail = 0;
      size = k;
      len = 0;
  }

  /** Insert an element into the circular queue. Return true if the operation is successful. */
  bool enQueue(int value) {
      if(isFull())    return false;
      a[tail] = value;
      tail = (++tail) % size;
      ++len;
      return true;
  }

  /** Delete an element from the circular queue. Return true if the operation is successful. */
  bool deQueue() {
      if(isEmpty())   return false;
      head = (++head) % size;
      --len;
      return true;
  }

  /** Get the front item from the queue. */
  int Front() {
      if(isEmpty())   return -1;
      return a[head];
  }

  /** Get the last item from the queue. */
  int Rear() {
      if(isEmpty())   return -1;
      return a[(tail - 1 + size) % size];
  }

  /** Checks whether the circular queue is empty or not. */
  bool isEmpty() {
      return len == 0;
  }

  /** Checks whether the circular queue is full or not. */
  bool isFull() {
      return len == size;
  }

private:
  int* a;
  int head;
  int tail;
  int size;
  int len;
};

最终用时28ms，成功跻身第一梯队，超过了100%的提交记录。

Last modification：February 16, 2021
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