實戰PHP數據結構基礎之隊列

什麼是隊列

隊列是另一種遵循先進先出原則的線性數據結構。隊列有兩端可供操做，一端出隊，一端入隊。這個特色和棧不一樣，棧只有一端能夠用來操做。入隊老是在後端，出隊在前端。

常見操做

• enqueue -> 入隊
• dequeue -> 出隊
• peek -> 返回隊列前端元素
• isEmpty -> 是否爲空

PHP實現

首先咱們定義一個QueueInterface。

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

來看基於數組的隊列實現

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);
    }
}
複製代碼

得益於PHP強大的array結構，咱們垂手可得的寫出來了隊列的基本操做方法。果真世界上最好的語言名不虛傳。

可能機智的同窗已經猜到了，我以前已經定義了一個隊列接口，那隊列的實現確定不止只有上面一種哈。來看基於鏈表的實現。

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;
        }
    }
}
複製代碼

裏面涉及到了以前的鏈表實現，不瞭解細節的同窗能夠去這裏看看。

Spl中的隊列

強大的PHP已經內置了隊列實現，能夠使用的方法和上面咱們本身實現的相似。

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();
    }
}
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優先隊列

優先隊列是一種特殊的隊列，入隊或者出隊的順序都是基於每一個節點的權重。

順序序列

優先隊列能夠分爲有序優先隊列和無序優先隊列。有序優先隊列又有兩種狀況，倒序或者順序。在順序序列中，咱們能夠迅速的找出最大或者最小優先級別的節點，複雜度是O(1)。可是插入的話會花費掉更多的時間，由於咱們要檢查每個節點的優先級別而後插入到合適的位置。

無序序列

在無序序列中，在插入新節點的時候咱們不須要根據他們的優先級肯定位置。入隊的時候像普通隊列同樣，插入到隊列的末尾。可是當咱們想移除優先級最高的元素的時候，咱們要掃描每個節點來肯定移除優先級最高的那一個。接下來咱們仍是基於鏈表實現一個順序的優先隊列。

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;
    }
}
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環形隊列

爲充分利用向量空間，克服"假溢出"現象的方法是：將向量空間想象爲一個首尾相接的圓環，並稱這種向量爲循環向量。存儲在其中的隊列稱爲循環隊列。環形隊列也是一種數組，只是它在邏輯上把數組的頭和尾相連，造成循環隊列，當數組尾滿的時候，要判斷數組頭是否爲空，不爲空繼續存放數據。

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;

    }
}
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雙端隊列

截止目前咱們所實現的隊列都是在隊尾(rear)入隊，隊首(front) 出隊的結構。在特殊的狀況下，咱們但願不管是隊首仍是隊尾均可以入隊或者出隊，這種結構就叫作雙端隊列。基於咱們以前實現的鏈表結構，咱們能夠垂手可得的實現這樣的結構。

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;
    }
}
複製代碼

裏面涉及到了以前的鏈表實現，不瞭解細節的同窗能夠去這裏看看。

總結

棧和隊列是咱們最經常使用的數據結構，咱們會在其餘的複雜數據結構中看到這兩種抽象數據類型的應用。在下一章，咱們繼續學習PHP數據結構之遞歸，這是一種將複雜問題簡單化的經常使用思路。

專題系列

PHP基礎數據結構專題系列目錄地址：github.com/... 主要使用PHP語法總結基礎的數據結構和算法。還有咱們平常PHP開發中容易忽略的基礎知識和現代PHP開發中關於規範、部署、優化的一些實戰性建議，同時還有對Javascript語言特色的深刻研究。