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synced 2025-11-02 04:31:55 +08:00
feat: Revised the book (#978)
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This commit is contained in:
@ -1,6 +1,6 @@
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# 双向队列
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在队列中,我们仅能在头部删除或在尾部添加元素。如下图所示,「双向队列 double-ended queue」提供了更高的灵活性,允许在头部和尾部执行元素的添加或删除操作。
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在队列中,我们仅能删除头部元素或在尾部添加元素。如下图所示,「双向队列 double-ended queue」提供了更高的灵活性,允许在头部和尾部执行元素的添加或删除操作。
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@ -19,13 +19,15 @@
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| peekFirst() | 访问队首元素 | $O(1)$ |
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| peekLast() | 访问队尾元素 | $O(1)$ |
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同样地,我们可以直接使用编程语言中已实现的双向队列类。
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同样地,我们可以直接使用编程语言中已实现的双向队列类:
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=== "Python"
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```python title="deque.py"
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from collections import deque
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# 初始化双向队列
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deque: deque[int] = collections.deque()
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deque: deque[int] = deque()
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# 元素入队
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deque.append(2) # 添加至队尾
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@ -369,7 +371,7 @@
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=== "popFirst()"
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实现代码如下所示。
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实现代码如下所示:
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```src
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[file]{linkedlist_deque}-[class]{linked_list_deque}-[func]{}
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@ -394,7 +396,7 @@
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=== "popFirst()"
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在队列的实现基础上,仅需增加“队首入队”和“队尾出队”的方法。
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在队列的实现基础上,仅需增加“队首入队”和“队尾出队”的方法:
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```src
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[file]{array_deque}-[class]{array_deque}-[func]{}
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@ -404,4 +406,4 @@
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双向队列兼具栈与队列的逻辑,**因此它可以实现这两者的所有应用场景,同时提供更高的自由度**。
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我们知道,软件的“撤销”功能通常使用栈来实现:系统将每次更改操作 `push` 到栈中,然后通过 `pop` 实现撤销。然而,考虑到系统资源的限制,软件通常会限制撤销的步数(例如仅允许保存 $50$ 步)。当栈的长度超过 $50$ 时,软件需要在栈底(即队首)执行删除操作。**但栈无法实现该功能,此时就需要使用双向队列来替代栈**。请注意,“撤销”的核心逻辑仍然遵循栈的先入后出原则,只是双向队列能够更加灵活地实现一些额外逻辑。
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我们知道,软件的“撤销”功能通常使用栈来实现:系统将每次更改操作 `push` 到栈中,然后通过 `pop` 实现撤销。然而,考虑到系统资源的限制,软件通常会限制撤销的步数(例如仅允许保存 $50$ 步)。当栈的长度超过 $50$ 时,软件需要在栈底(队首)执行删除操作。**但栈无法实现该功能,此时就需要使用双向队列来替代栈**。请注意,“撤销”的核心逻辑仍然遵循栈的先入后出原则,只是双向队列能够更加灵活地实现一些额外逻辑。
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@ -10,4 +10,4 @@
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栈如同叠猫猫,而队列就像猫猫排队。
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两者分别代表着先入后出和先入先出的逻辑关系。
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两者分别代表先入后出和先入先出的逻辑关系。
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@ -1,8 +1,8 @@
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# 队列
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「队列 queue」是一种遵循先入先出规则的线性数据结构。顾名思义,队列模拟了排队现象,即新来的人不断加入队列的尾部,而位于队列头部的人逐个离开。
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「队列 queue」是一种遵循先入先出规则的线性数据结构。顾名思义,队列模拟了排队现象,即新来的人不断加入队列尾部,而位于队列头部的人逐个离开。
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如下图所示,我们将队列的头部称为“队首”,尾部称为“队尾”,将把元素加入队尾的操作称为“入队”,删除队首元素的操作称为“出队”。
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如下图所示,我们将队列头部称为“队首”,尾部称为“队尾”,将把元素加入队尾的操作称为“入队”,删除队首元素的操作称为“出队”。
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@ -18,15 +18,17 @@
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| pop() | 队首元素出队 | $O(1)$ |
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| peek() | 访问队首元素 | $O(1)$ |
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我们可以直接使用编程语言中现成的队列类。
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我们可以直接使用编程语言中现成的队列类:
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=== "Python"
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```python title="queue.py"
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from collections import deque
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# 初始化队列
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# 在 Python 中,我们一般将双向队列类 deque 看作队列使用
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# 虽然 queue.Queue() 是纯正的队列类,但不太好用,因此不建议
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que: deque[int] = collections.deque()
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# 在 Python 中,我们一般将双向队列类 deque 当作队列使用
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# 虽然 queue.Queue() 是纯正的队列类,但不太好用,因此不推荐
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que: deque[int] = deque()
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# 元素入队
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que.append(1)
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@ -308,7 +310,7 @@
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## 队列实现
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为了实现队列,我们需要一种数据结构,可以在一端添加元素,并在另一端删除元素。因此,链表和数组都可以用来实现队列。
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为了实现队列,我们需要一种数据结构,可以在一端添加元素,并在另一端删除元素。链表和数组都符合要求。
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### 基于链表的实现
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@ -323,7 +325,7 @@
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=== "pop()"
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以下是用链表实现队列的代码。
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以下是用链表实现队列的代码:
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```src
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[file]{linkedlist_queue}-[class]{linked_list_queue}-[func]{}
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@ -331,7 +333,7 @@
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### 基于数组的实现
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由于数组删除首元素的时间复杂度为 $O(n)$ ,这会导致出队操作效率较低。然而,我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。
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在数组中删除首元素的时间复杂度为 $O(n)$ ,这会导致出队操作效率较低。然而,我们可以采用以下巧妙方法来避免这个问题。
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我们可以使用一个变量 `front` 指向队首元素的索引,并维护一个变量 `size` 用于记录队列长度。定义 `rear = front + size` ,这个公式计算出的 `rear` 指向队尾元素之后的下一个位置。
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@ -351,19 +353,19 @@
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=== "pop()"
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你可能会发现一个问题:在不断进行入队和出队的过程中,`front` 和 `rear` 都在向右移动,**当它们到达数组尾部时就无法继续移动了**。为解决此问题,我们可以将数组视为首尾相接的“环形数组”。
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你可能会发现一个问题:在不断进行入队和出队的过程中,`front` 和 `rear` 都在向右移动,**当它们到达数组尾部时就无法继续移动了**。为了解决此问题,我们可以将数组视为首尾相接的“环形数组”。
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对于环形数组,我们需要让 `front` 或 `rear` 在越过数组尾部时,直接回到数组头部继续遍历。这种周期性规律可以通过“取余操作”来实现,代码如下所示。
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对于环形数组,我们需要让 `front` 或 `rear` 在越过数组尾部时,直接回到数组头部继续遍历。这种周期性规律可以通过“取余操作”来实现,代码如下所示:
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```src
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[file]{array_queue}-[class]{array_queue}-[func]{}
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```
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以上实现的队列仍然具有局限性,即其长度不可变。然而,这个问题不难解决,我们可以将数组替换为动态数组,从而引入扩容机制。有兴趣的同学可以尝试自行实现。
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以上实现的队列仍然具有局限性:其长度不可变。然而,这个问题不难解决,我们可以将数组替换为动态数组,从而引入扩容机制。有兴趣的读者可以尝试自行实现。
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两种实现的对比结论与栈一致,在此不再赘述。
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## 队列典型应用
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- **淘宝订单**。购物者下单后,订单将加入队列中,系统随后会根据顺序依次处理队列中的订单。在双十一期间,短时间内会产生海量订单,高并发成为工程师们需要重点攻克的问题。
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- **各类待办事项**。任何需要实现“先来后到”功能的场景,例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等。队列在这些场景中可以有效地维护处理顺序。
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- **淘宝订单**。购物者下单后,订单将加入队列中,系统随后会根据顺序处理队列中的订单。在双十一期间,短时间内会产生海量订单,高并发成为工程师们需要重点攻克的问题。
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- **各类待办事项**。任何需要实现“先来后到”功能的场景,例如打印机的任务队列、餐厅的出餐队列等,队列在这些场景中可以有效地维护处理顺序。
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@ -2,9 +2,9 @@
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「栈 stack」是一种遵循先入后出的逻辑的线性数据结构。
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我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子,如果需要拿出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次取出。我们将盘子替换为各种类型的元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈数据结构。
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我们可以将栈类比为桌面上的一摞盘子,如果想取出底部的盘子,则需要先将上面的盘子依次移走。我们将盘子替换为各种类型的元素(如整数、字符、对象等),就得到了栈这种数据结构。
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如下图所示,我们把堆叠元素的顶部称为“栈顶”,底部称为“栈底”。将把元素添加到栈顶的操作叫做“入栈”,删除栈顶元素的操作叫做“出栈”。
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如下图所示,我们把堆叠元素的顶部称为“栈顶”,底部称为“栈底”。将把元素添加到栈顶的操作叫作“入栈”,删除栈顶元素的操作叫作“出栈”。
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@ -20,7 +20,7 @@
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| pop() | 栈顶元素出栈 | $O(1)$ |
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| peek() | 访问栈顶元素 | $O(1)$ |
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通常情况下,我们可以直接使用编程语言内置的栈类。然而,某些语言可能没有专门提供栈类,这时我们可以将该语言的“数组”或“链表”视作栈来使用,并在程序逻辑上忽略与栈无关的操作。
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通常情况下,我们可以直接使用编程语言内置的栈类。然而,某些语言可能没有专门提供栈类,这时我们可以将该语言的“数组”或“链表”当作栈来使用,并在程序逻辑上忽略与栈无关的操作。
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=== "Python"
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@ -306,11 +306,11 @@
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为了深入了解栈的运行机制,我们来尝试自己实现一个栈类。
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栈遵循先入后出的原则,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素,**因此栈可以被视为一种受限制的数组或链表**。换句话说,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使其对外表现的逻辑符合栈的特性。
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栈遵循先入后出的原则,因此我们只能在栈顶添加或删除元素。然而,数组和链表都可以在任意位置添加和删除元素,**因此栈可以视为一种受限制的数组或链表**。换句话说,我们可以“屏蔽”数组或链表的部分无关操作,使其对外表现的逻辑符合栈的特性。
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### 基于链表的实现
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使用链表来实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。
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使用链表实现栈时,我们可以将链表的头节点视为栈顶,尾节点视为栈底。
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如下图所示,对于入栈操作,我们只需将元素插入链表头部,这种节点插入方法被称为“头插法”。而对于出栈操作,只需将头节点从链表中删除即可。
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@ -323,7 +323,7 @@
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=== "pop()"
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以下是基于链表实现栈的示例代码。
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以下是基于链表实现栈的示例代码:
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```src
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[file]{linkedlist_stack}-[class]{linked_list_stack}-[func]{}
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@ -342,7 +342,7 @@
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=== "pop()"
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由于入栈的元素可能会源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无须自行处理数组扩容问题。以下为示例代码。
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由于入栈的元素可能会源源不断地增加,因此我们可以使用动态数组,这样就无须自行处理数组扩容问题。以下为示例代码:
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```src
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[file]{array_stack}-[class]{array_stack}-[func]{}
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@ -356,9 +356,9 @@
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**时间效率**
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在基于数组的实现中,入栈和出栈操作都是在预先分配好的连续内存中进行,具有很好的缓存本地性,因此效率较高。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,导致该次入栈操作的时间复杂度变为 $O(n)$ 。
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在基于数组的实现中,入栈和出栈操作都在预先分配好的连续内存中进行,具有很好的缓存本地性,因此效率较高。然而,如果入栈时超出数组容量,会触发扩容机制,导致该次入栈操作的时间复杂度变为 $O(n)$ 。
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在链表实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因此效率相对较低。不过,如果入栈元素本身就是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提高效率。
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在基于链表的实现中,链表的扩容非常灵活,不存在上述数组扩容时效率降低的问题。但是,入栈操作需要初始化节点对象并修改指针,因此效率相对较低。不过,如果入栈元素本身就是节点对象,那么可以省去初始化步骤,从而提高效率。
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综上所述,当入栈与出栈操作的元素是基本数据类型时,例如 `int` 或 `double` ,我们可以得出以下结论。
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@ -367,7 +367,7 @@
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**空间效率**
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在初始化列表时,系统会为列表分配“初始容量”,该容量可能超过实际需求。并且,扩容机制通常是按照特定倍率(例如 2 倍)进行扩容,扩容后的容量也可能超出实际需求。因此,**基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费**。
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在初始化列表时,系统会为列表分配“初始容量”,该容量可能超出实际需求;并且,扩容机制通常是按照特定倍率(例如 2 倍)进行扩容的,扩容后的容量也可能超出实际需求。因此,**基于数组实现的栈可能造成一定的空间浪费**。
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然而,由于链表节点需要额外存储指针,**因此链表节点占用的空间相对较大**。
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@ -375,5 +375,5 @@
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## 栈典型应用
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- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就会将上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过后退操作回到上一页面。后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
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- **程序内存管理**。每次调用函数时,系统都会在栈顶添加一个栈帧,用于记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推阶段会不断执行入栈操作,而向上回溯阶段则会执行出栈操作。
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- **浏览器中的后退与前进、软件中的撤销与反撤销**。每当我们打开新的网页,浏览器就会对上一个网页执行入栈,这样我们就可以通过后退操作回到上一个网页。后退操作实际上是在执行出栈。如果要同时支持后退和前进,那么需要两个栈来配合实现。
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- **程序内存管理**。每次调用函数时,系统都会在栈顶添加一个栈帧,用于记录函数的上下文信息。在递归函数中,向下递推阶段会不断执行入栈操作,而向上回溯阶段则会不断执行出栈操作。
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@ -3,7 +3,7 @@
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### 重点回顾
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- 栈是一种遵循先入后出原则的数据结构,可通过数组或链表来实现。
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- 从时间效率角度看,栈的数组实现具有较高的平均效率,但在扩容过程中,单次入栈操作的时间复杂度会劣化至 $O(n)$ 。相比之下,基于链表实现的栈具有更为稳定的效率表现。
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- 在时间效率方面,栈的数组实现具有较高的平均效率,但在扩容过程中,单次入栈操作的时间复杂度会劣化至 $O(n)$ 。相比之下,栈的链表实现具有更为稳定的效率表现。
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- 在空间效率方面,栈的数组实现可能导致一定程度的空间浪费。但需要注意的是,链表节点所占用的内存空间比数组元素更大。
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- 队列是一种遵循先入先出原则的数据结构,同样可以通过数组或链表来实现。在时间效率和空间效率的对比上,队列的结论与前述栈的结论相似。
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- 双向队列是一种具有更高自由度的队列,它允许在两端进行元素的添加和删除操作。
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@ -12,7 +12,7 @@
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!!! question "浏览器的前进后退是否是双向链表实现?"
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浏览器的前进后退功能本质上是“栈”的体现。当用户访问一个新页面时,该页面会被添加到栈顶;当用户点击后退按钮时,该页面会从栈顶弹出。使用双向队列可以方便实现一些额外操作,这个在双向队列章节有提到。
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浏览器的前进后退功能本质上是“栈”的体现。当用户访问一个新页面时,该页面会被添加到栈顶;当用户点击后退按钮时,该页面会从栈顶弹出。使用双向队列可以方便地实现一些额外操作,这个在“双向队列”章节有提到。
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!!! question "在出栈后,是否需要释放出栈节点的内存?"
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@ -20,7 +20,7 @@
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!!! question "双向队列像是两个栈拼接在了一起,它的用途是什么?"
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双向队列就像是栈和队列的组合,或者是两个栈拼在了一起。它表现的是栈 + 队列的逻辑,因此可以实现栈与队列的所有应用,并且更加灵活。
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双向队列就像是栈和队列的组合,或两个栈拼在了一起。它表现的是栈 + 队列的逻辑,因此可以实现栈与队列的所有应用,并且更加灵活。
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!!! question "撤销(undo)和反撤销(redo)具体是如何实现的?"
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Reference in New Issue
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