> 我们已经学习了一种受限的线性结构: 栈结构. 并且已经知道这种受限的数据结构对于解决某些特定问题, 会有特别的效果. > > 下面, 我们再来学习另外一个受限的数据结构: 队列. 它也是一种受限的线性结构. ### 一. 认识队列 > 我们也先来认识一下队列, 看看它的特点和应用场景等. #### 队列结构 * 队列(Queue)，它是一种运算受限的线性表,后进先出(FIFO First In First Out) * 队列是一种受限的线性结构 * 受限之处在于它只允许在表的前端（front）进行删除操作，而在表的后端（rear）进行插入操作 * 生活中类似的队列结构 * 生活中类似队列的场景就是非常多了, 比如在电影院, 商场, 甚至是厕所排队. * 优先排队的人, 优先处理. (买票, 结账, WC)  * 队列的图解  * 队列在程序中的应用 * 打印队列: * 有五份文档需要打印, 这些文档会按照次序放入到打印队列中. * 打印机会依次从队列中取出文档, 优先放入的文档, 优先被取出, 并且对该文档进行打印. * 以此类推, 直到队列中不再有新的文档. * 线程队列: * 在进行多线程开发时, 我们不可能无限制的开启新的线程. * 这个时候, 如果有需要开启线程处理任务的情况, 我们就会使用线程队列. * 线程队列会依照次序来启动线程, 并且处理对应的任务. ### 二. 队列实现 > 我们来实现一个类, 用于模拟队列中的操作 #### 队列的创建 * 我们需要创建自己的类, 来表示一个队列 ```javascript // 自定义队列 function Queue() { var items = [] // 队列操作的方法 } ``` * 代码解析: - 我们创建了一个Queue构造函数, 用户创建队列的类. - 在构造函数中, 定义了一个变量, 这个变量可以用于保存当前队列对象中所有的元素. (和创建栈非常相似) - 这个变量是一个数组类型. 我们之后在队列中添加元素或者删除元素, 都是在这个数组中完成的. - 队列和栈一样, 有一些相关的操作方法, 通常无论是什么语言, 操作都是比较类似的. #### 队列的操作 * 队列有哪些常见的操作呢? * `enqueue(element)`：向队列尾部添加一个（或多个）新的项。 * `dequeue()`：移除队列的第一（即排在队列最前面的）项，并返回被移除的元素。 * `front()`：返回队列中第一个元素——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`方法非常类似）。 * `isEmpty()`：如果队列中不包含任何元素，返回`true`，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。 * 现在, 我们来实现这些方法. (其实已经比较简单了) * enqueue方法 ```javascript // enter queue方法 this.enqueue = function (element) { items.push(element) } ``` * dequeue方法 * 注意: 从队列中删除元素不可以删除最后一个元素了. * 因为, 先进入队列中的元素, 先从队列中取出. 因此, 应该删除第一个元素 ```javascript // delete queue方法 this.dequeue = function () { return items.shift() } ``` * front()方法 ```javascript // 查看前端的元素 this.front = function () { return items[0] } ``` * isEmpty方法 ```javascript // 查看队列是否为空 this.isEmpty = function () { return items.length == 0 } ``` * size方法 ```javascript // 查看队列中元素的个数 this.size = function () { return items.length } ``` #### 完整的代码 * 我们来看一下队列完整的代码 ```javascript // 自定义队列 function Queue() { var items = [] // 队列操作的方法 // enter queue方法 this.enqueue = function (element) { items.push(element) } // delete queue方法 this.dequeue = function () { return items.shift() } // 查看前端的元素 this.front = function () { return items[0] } // 查看队列是否为空 this.isEmpty = function () { return items.length == 0 } // 查看队列中元素的个数 this.size = function () { return items.length } } ``` #### 队列的使用 * 我们来简单使用一下我们封装的Queue ```javascript // 创建队列对象 var queue = new Queue() // 在队列中添加元素 queue.enqueue("abc") queue.enqueue("cba") queue.enqueue("nba") // 查看一下队列前端元素 alert(queue.front()) // 查看队列是否为空和元素个数 alert(queue.isEmpty()) alert(queue.size()) // 从队列中删除元素 alert(queue.dequeue()) alert(queue.dequeue()) alert(queue.dequeue()) ``` ### 三. 优先级队列 > 前面, 我们实现了一种普通的队列. 队列中元素的处理顺序和插入的顺序密切相关. > > 但是, 还有一种比较常见的场景是和插入顺序无关, 而和元素本身的优先级有关系的队列. > > 这种队列就是优先级队列. #### 优先级队列的介绍 * 优先级队列的特点: * 我们知道, 普通的队列插入一个元素, 数据会被放在后端. 并且需要前面所有的元素都处理完成后才会处理前面的数据. * 但是优先级队列, 在插入一个元素的时候会考虑该数据的优先级.(和其他数据优先级进行比较) * 比较完成后, 可以得出这个元素正确的队列中的位置. 其他处理方式, 和队列的处理方式一样. * 也就是说, 如果我们要实现优先级队列, 最主要是要修改添加方法. (当然, 还需要以某种方式来保存元素的优先级) * 优先级队列应用也非常广泛 * 一个现实的例子就是机场登机的顺序 * 头等舱和商务舱乘客的优先级要高于经济舱乘客。 * 在有些国家，老年人和孕妇（或带小孩的妇女）登机时也享有高于其他乘客的优先级。 * 另一个现实中的例子是医院的（急诊科）候诊室。 * 医生会优先处理病情比较严重的患者。 * 通常，护士会鉴别分类，根据患者病情的严重程度放号。 * 计算机中, 我们也可以通过优先级队列来重新排序队列中任务的顺序 * 比如每个线程处理的任务重要性不同, 我们可以通过优先级的大小, 来决定该线程在队列中被处理的次序. #### 优先级队列的实现 * 实现优先级队列相对队列主要有两方面需要考虑: * 1) 封装元素和优先级放在一起(可以封装一个新的构造函数) * 2) 添加元素时, 将当前的优先级和队列中已经存在的元素优先级进行比较, 以获得自己正确的位置. * 优先级队列代码实现: ```javascript // 封装优先级队列 function PriorityQueue() { var items = [] // 封装一个新的构造函数, 用于保存元素和元素的优先级 function QueueElement(element, priority) { this.element = element this.priority = priority } // 添加元素的方法 this.enqueue = function (element, priority) { // 1.根据传入的元素, 创建新的QueueElement var queueElement = new QueueElement(element, priority) // 2.获取传入元素应该在正确的位置 if (this.isEmpty()) { items.push(queueElement) } else { var added = false for (var i = 0; i < items.length; i++) { // 注意: 我们这里是数字越小, 优先级越高 if (queueElement.priority < items[i].priority) { items.splice(i, 0, queueElement) added = true break } } // 遍历完所有的元素, 优先级都大于新插入的元素时, 就插入到最后 if (!added) { items.push(queueElement) } } } // 删除元素的方法 this.dequeue = function () { return items.shift() } // 获取前端的元素 this.front = function () { return items[0] } // 查看元素是否为空 this.isEmpty = function () { return items.length == 0 } // 获取元素的个数 this.size = function () { return items.length } } ``` * 代码解析: * 封装了一个QueueElement, 将element和priority封装在一起. * 在插入新的元素时, 有如下情况下考虑: * 根据新的元素先创建一个新的QueueElement对象. * 如果元素是第一个被加进来的, 那么不需要考虑太多, 直接加入数组中即可. * 如果是后面加进来的元素, 需要和前面加进来的元素依次对比优先级. * 一旦优先级, 大于某个元素, 就将该元素插入到元素这个元素的位置. 其他元素会依次向后移动. * 如果遍历了所有的元素, 没有找到某个元素被这个新元素的优先级低, 直接放在最后即可. #### 优先级队列的使用 * 我们来简单使用一下我们的优先级队列. ```javascript // 创建优先级队列对象 var pQueue = new PriorityQueue() // 添加元素 pQueue.enqueue("abc", 10) pQueue.enqueue("cba", 5) pQueue.enqueue("nba", 12) pQueue.enqueue("mba", 3) // 遍历所有的元素 var size = pQueue.size() for (var i = 0; i < size; i++) { var item = pQueue.dequeue() alert(item.element + "-" + item.priority) } ``` ### 四. 队列面试题 > 击鼓传花是一个常见的面试算法题. 使用队列可以非常方便的实现最终的结果. #### 击鼓传花的规则 * 原游戏规则: * 班级中玩一个游戏, 所有学生围成一圈, 从某位同学手里开始向旁边的同学传一束花. * 这个时候某个人(比如班长), 在击鼓, 鼓声停下的一颗, 花落在谁手里, 谁就出来表演节目. * 修改游戏规则: * 我们来修改一下这个游戏规则. * 几个朋友一起玩一个游戏, 围成一圈, 开始数数, 数到某个数字的人自动淘汰. * 最后剩下的这个人会获得胜利, 请问最后剩下的是原来在哪一个位置上的人? #### 击鼓传花的实现 * 我们使用队列可以非常方便的实现这个代码. * 封装函数 ```javascript // 实现击鼓传花的函数 function passGame(nameList, num) { // 1.创建一个队列, 并且将所有的人放在队列中 // 1.1.创建队列 var queue = new Queue() // 1.2.通过for循环, 将nameList中的人放在队列中 for (var i = 0; i < nameList.length; i++) { queue.enqueue(nameList[i]) } // 2.寻找最后剩下的人 while (queue.size() > 1) { // 将前num-1中的人, 都从队列的前端取出放在队列的后端 for (var i = 0; i < num; i++) { queue.enqueue(queue.dequeue()) } // 将第num个人, 从队列中移除 queue.dequeue() } // 3.获取剩下的一个人 alert(queue.size()) var endName = queue.dequeue() alert("最终留下来的人:" + endName) // 4.获取该人在队列中的位置 return nameList.indexOf(endName) } ``` * 代码验证: ```javascript // 验证结果 var names = ['John','Jack','Camila','Ingrid','Carl']; var index = passGame(names, 7) // 数到8的人淘汰 alert("最终位置:" + index) ``` * 画图解析上面淘汰的过程