有两种结构类似于数组,但在添加和删除元素时更加可控,它们就是栈和队列。

第四章 队列

队列数据结构

队列是遵循FIFO(First In First Out,先进先出,也称为先来先服务)原则的一组有序的项。队列在尾部添加新元素,并从顶部移除元素。最新添加的元素必须排在队列的末尾。

现实中,很常见的例子就是排队。在计算机科学里面是打印队列。

创建队列

我们需要创建自己的类来表示一个队列,先从最基本的声明开始:

function Queue(){
// 这里是属性和方法
}

首先需要一个用于存储队列中元素的数据结构。我们可以使用数组,就像上一章 Stack 类中那样使用(你会发现其实两者很相似,只是添加和移除元素不一样而已。)

let items = []

接下来需要声明一些队列可用的方法。

  • enqueue(element(s)):向队列尾部添加一个(或多个)新的项。
  • dequeue():移除队列中的第一个(排列在队伍最前面的)项,并返回被移除的元素
  • front():返回队列中的第一个元素——最先被添加,也将是最先被移除的元素。队列不做任何变动(不移除元素,只返回元素信息——与 Stack 类的 peek 方法非常相似)
  • isEmpty():如果队列中不包含任何元素,返回 ture,否则返回 false
  • size():返回队列包含的元素个数,与数组的 length 属性类似。

向队列添加元素

首先要实现的是 enqueue 方法。这个方法负责向队列中添加新元素,还有一个非常重要的细节,新的项目只能添加到队列末尾:

this.enqueue = function(element){
return items.push(element);
};

从队列中移除元素

接下来就是 dequeue 方法,这个方法负责从队列中移除项。由于队列遵循先进先出原则,最先添加的项也是要最先被移除的。数组中的 shift 方法会从数组中移除存储在索引0(第一个位置)的元素。

this.dequeue = function(element){
return items.shift();
}

只有 enqueue 方法和 dequeue 方法可以添加和移除元素,这样就确保了 Queue 类遵循先进先出的原则。

查看队列头元素

为我们类实现一些额外的辅助方法。我们想知道队列最前面是什么,可以使用 front 方法查看

this.front = function(){
return items[0];
}

检查队列是否为空

this.isEmpty = function(){
return items.length == 0;
}

查看队列的长度

this.size = function(){
return items.length;
}

打印队列元素

this.print = function(){
console.log(items.toString());
}

实例

	function Queue(){
let items = [];
this.enqueue = function(element){
return items.push(element);
}
this.dequeue = function(){
return items.shift();
}
this.front = function(){
return items[0];
}
this.isEmpty = function(){
return items.length == 0;
}
this.size = function(){
return items.length;
}
this.clear = function(){
items = [];
}
this.print = function(){
console.log(items.toString());
}
}
let queue = new Queue(); // 新建 类 Queue 的实例 queue
console.log(queue.isEmpty()); // 队列没有元素,返回 true
queue.enqueue(5); // 先队列中加 5
queue.enqueue(8); // 先队列中加 8
queue.dequeue(); // 减去队列的开头
console.log(queue.front()); // 8
queue.enqueue(11); // 先队列中加 11
console.log(queue.size()); // 队列的长度 2
console.log(queue.isEmpty()); // 队列有元素,返回 false
queue.enqueue(15); // 先队列中加 15
queue.print(); // 输出队列中的元素 8,11,15

使用ES6 语法实现的 Queue 类

我们使用一个 WeakMap 来保存私有属性items,并用外层函数(闭包)来封装 Queue 类。

let Queue = (function(){
const items = new WeakMap(); // 声明了一个 WeakMap 类型的变量 items
class Queue{
constructor(){
items.set(this, []) // 在 constructor 中,以this(Stack类自己引用)为键,把代表栈的数组存入 items
}
enqueue(element){
let q = items.get(this);
q.push(element);
}
dequeue (){
let q = items.get(this);
let r = q.shift();
return r;
}
front (){
let q = items.get(this);
return q[0];
}
isEmpty (){
let q = items.get(this);
return q.length == 0;
}
size (){
let q = items.get(this);
let r = q.length
return r;
}
clear (){
items.set(this, [])
}
print (){
let q = items.get(this);
console.log(q.toString());
}
}
return Queue;
})();

优先队列

队列大量应用在计算机科学以及我们的生活中,其中一个就是优先队列。元素的添加和移除是基于优先级的。现实中的例子就是登机的顺序。头等舱和商务舱的乘客优先级要优于经济舱乘客。

另外一个现实的例子就是医院的候诊室。医生会优先处理病情比较严重的患者。

实现一个队列,有两种选项:设置优先级,然后在正确的位置添加元素;或者用入列操作添加元素,然后按照优先级操作它们。在这个实例中,我们会在正确的位置添加元素,因此可以对它们使用默认的出列操作。

function ProrityQueue(){
let items = [];
function QueueElement(element, priority){
// 参数包含了添加到队列的元素以及其的优先级
this.element = element;
this.priority = priority;
}
this.enqueue = function(element, priority){
let queueElement = new QueueElement(element, priority);
let added = false;
// 如果队列为空可以直接将元素插入,否则就要比较元素与该元素的优先级。
// 当找到一个比要添加元素的 priority 值更高(优先级更低)的项时,
// 我们就把元素插入它之前,但是如果优先级相同的话就遵循先进先出的原则
for(let i = 0; i < items.length; i++){
if(queueElement.priority < items[i].priority ){
items.splice(i,0,queueElement);
added = true;
break;
}
}
if(!added){
// 如果添加元素的 priority 值大于任何已有的元素,把它添加到队列的末尾就行了
items.push(queueElement);
}
}
this.dequeue = function(){
return items.shift();
}
this.front = function(){
return items[0];
}
this.isEmpty = function(){
return items.length == 0;
}
this.size = function(){
return items.length;
}
this.clear = function(){
items = [];
}
this.print = function(){
for(let i = 0; i < items.length; i++){
console.log(`${items[i].element} - ${items[i].priority}`);
}
}
}
let prorityQueue = new ProrityQueue();
prorityQueue.enqueue('John',2);
prorityQueue.enqueue('Mike',1);
prorityQueue.enqueue('Jenny',1);
prorityQueue.print();
/*
Mike - 1
Jenny - 1
John - 2
*/

循环队列——击鼓传花

还有另一个修改版的队列实现,就是循环队列。循环队列的一个例子就是击鼓传花游戏(Hot Potato)。在这个游戏中,孩子们围成一个圆圈,把花尽快地传递给旁边的人,某一时刻传花停止,这个时候,花就在谁的手里,谁就退出圆圈结束游戏。重复这个过程,直到最后一个孩子,就是胜者。

在这个例子中,我们要实现一个模拟的击鼓传花游戏。

function Queue(){
let items = [];
this.enqueue = function(element){
return items.push(element);
}
this.dequeue = function(){
return items.shift();
}
this.front = function(){
return items[0];
}
this.isEmpty = function(){
return items.length == 0;
}
this.size = function(){
return items.length;
}
this.clear = function(){
items = [];
}
this.print = function(){
console.log(items.toString());
}
}
function hotPotata(nameList, num){
let queue = new Queue();
// 将姓名名单 nameList 逐个加入到队列中
for(let i = 0; i < nameList.length; i++){
queue.enqueue(nameList[i]);
}
// 给定一个数字,然后迭代队伍,从队列中开头移除一项
// 然后将其添加到队伍的末尾,模拟击鼓传花
// 一旦传递次数达到给定的数字,拿着花的那个人就被淘汰
let eliminated = '';
while(queue.size() > 1){
for(let i = 0; i < num; i++){
queue.enqueue(queue.dequeue());
}
eliminated = queue.dequeue();
console.log(eliminated+'在击鼓传花游戏中被淘汰');
}
return queue.dequeue();
}
let names = ['John', 'Jack', 'Camila', 'Ingrid', 'Carl'];
let winner = hotPotata(names, 7);
console.log('获胜者是'+ winner); // Camila在击鼓传花游戏中被淘汰
// John在击鼓传花游戏中被淘汰
// Carl在击鼓传花游戏中被淘汰
// Jack在击鼓传花游戏中被淘汰
// 获胜者是Ingrid

下图模拟了这个输出过程:

可以改变传入 hotPotata 函数的数字,模拟不同的场景。

JavaScript 任务队列

当我们在浏览器中打开新标签时,就会创建一个任务队列。这是因为每个标签都是单线程处理所有的任务,它被称为 事件循环。浏览器要负责多个任务,如渲染 HTML ,执行 JavaScript 代码,处理用户交互(用户输入,鼠标点击等),执行和处理异步请求。

小结

这一章学习了队列这种数据结构。实现了自己的队列算法,学习了如何通过 enqueue 方法和 dequeue 方法添加和移除元素。还学习了两种非常著名的特殊队列的实现,优先队列和循环队列(使用击鼓传花的实现)

下一章,将学习链表,一种比数组更加复杂的数据结构。

书籍链接: 学习JavaScript数据结构与算法