双端队列Deque

news2024/9/22 3:55:34

Deque（双端队列）是一种允许在两端都进行插入和删除操作的线性数据结构。它在 Java Collections Framework 中作为一个重要的接口，具有以下结构特点：

1. 双端操作

两端插入和删除：与传统队列（只能在一端入队，一端出队）不同，Deque允许在两端（头部和尾部）同时进行插入和删除操作。这使得它既可以用作栈（后进先出，LIFO），也可以用作队列（先进先出，FIFO）。

2. 灵活性和多样性

多用途：由于其双端特性，Deque可以用于多种应用场景，例如任务调度、回溯算法、浏览器历史记录等。开发者可以选择不同的操作模式来满足具体需求。

3. 实现方式

多种实现：Java 中提供了多种 Deque 的实现，最常见的是 ArrayDeque 和 LinkedList：
- ArrayDeque：基于动态数组实现，提供更高效的访问和搜索，但会在频繁扩展时出现性能瓶颈。
- LinkedList：基于双向链表实现，适合进行频繁插入和删除操作，特别是在中间或两端进行操作时。

4. 无容量限制

动态大小：Deque 的大小可以动态改变，理论上只受限于系统内存。这意味着你不需要预先指定容量，可以根据需要添加任意数量的元素（除非达到 JVM 内存限制）。

5. 访问性能

常数时间复杂度：Deque 的插入和删除操作通常是常数时间复杂度 O(1)，使得它在执行高频率操作时表现良好。
随机访问：虽然不支持直接索引（如数组或普通列表），但可以通过迭代器或其他方法访问元素。

6. 接口特性

集合框架的一部分：Deque 接口是 Java Collections Framework 的一部分，继承自 Collection 接口，并实现了 Queue 接口。这意味着它可以与 Java 的其他集合结构很好地兼容。

7. 线程安全性

非线程安全：Deque 的实现（如 ArrayDeque 和 LinkedList）通常不是线程安全的。如果需要在多线程中使用，必须通过外部同步机制来保证线程安全。

总结

Deque 作为一个灵活且功能强大的数据结构，因其双端操作的特性，适用于广泛的场景。它的高效性能使得它在实际开发中被广泛应用，是许多算法和数据结构实现的基础。

下面是基于 LinkedList 实现的 Deque 的示例，展示如何将 LinkedList 用作栈（LIFO）和队列（FIFO）。

1. 使用 LinkedList 实现 Deque

首先，确保导入必要的包：

2. 使用 LinkedList 作为栈

我们可以使用 LinkedList 来实现栈的基本操作（后进先出）。

栈示例代码：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Deque;

public class LinkedListAsStack {
    public static void main(String[] args) {
        Deque<Integer> stack = new LinkedList<>();

        // 入栈
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        stack.push(3);

        // 出栈
        System.out.println("出栈: " + stack.pop());  // 输出 3
        System.out.println("栈顶元素: " + stack.peek()); // 查看栈顶元素，输出 2
        System.out.println("出栈: " + stack.pop());  // 输出 2
        System.out.println("出栈: " + stack.pop());  // 输出 1
    }
}

3. 使用 LinkedList 作为队列

同样，我们可以使用 LinkedList 来实现队列的基本操作（先进先出）。

队列示例代码：

public class LinkedListAsQueue {
    public static void main(String[] args) {
        Deque<Integer> queue = new LinkedList<>();

        // 入队
        queue.addLast(1);      // enqueue
        queue.addLast(2);
        queue.addLast(3);

        // 出队
        System.out.println("出队: " + queue.removeFirst()); // 输出 1
        System.out.println("队头元素: " + queue.peekFirst()); // 查看队头元素，输出 2
        System.out.println("出队: " + queue.removeFirst()); // 输出 2
        System.out.println("出队: " + queue.removeFirst()); // 输出 3
    }
}

Summary

作为栈：
- 使用 push() 方法添加元素到栈顶。
- 使用 pop() 方法从栈顶移除元素，返回被移除的元素。
- 使用 peek() 方法查看栈顶元素但不移除。
作为队列：
- 使用 addLast() 方法将元素添加到队列尾部。
- 使用 removeFirst() 方法从队列头部移除元素并返回它。
- 使用 peekFirst() 方法查看队头元素但不移除。