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15 KiB
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# 双向队列
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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，<u>双向队列（double-ended queue）</u>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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## 双向队列常用操作
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双向队列的常用操作如下表所示，具体的方法名称需要根据所使用的编程语言来确定。
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<p align="center"> 表 <id> 双向队列操作效率 </p>
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| 方法名 | 描述 | 时间复杂度 |
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| -------------- | ---------------- | ---------- |
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| `push_first()` | 将元素添加至队首 | $O(1)$ |
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| `push_last()` | 将元素添加至队尾 | $O(1)$ |
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| `pop_first()` | 删除队首元素 | $O(1)$ |
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| `pop_last()` | 删除队尾元素 | $O(1)$ |
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| `peek_first()` | 访问队首元素 | $O(1)$ |
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| `peek_last()` | 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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=== "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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deq: deque[int] = deque()
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# 元素入队
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deq.append(2) # 添加至队尾
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deq.append(5)
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deq.append(4)
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deq.appendleft(3) # 添加至队首
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deq.appendleft(1)
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# 访问元素
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front: int = deq[0] # 队首元素
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rear: int = deq[-1] # 队尾元素
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# 元素出队
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pop_front: int = deq.popleft() # 队首元素出队
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pop_rear: int = deq.pop() # 队尾元素出队
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# 获取双向队列的长度
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size: int = len(deq)
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# 判断双向队列是否为空
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is_empty: bool = len(deq) == 0
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```
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=== "C++"
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```cpp title="deque.cpp"
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/* 初始化双向队列 */
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deque<int> deque;
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/* 元素入队 */
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deque.push_back(2); // 添加至队尾
|
||
deque.push_back(5);
|
||
deque.push_back(4);
|
||
deque.push_front(3); // 添加至队首
|
||
deque.push_front(1);
|
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||
/* 访问元素 */
|
||
int front = deque.front(); // 队首元素
|
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int back = deque.back(); // 队尾元素
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/* 元素出队 */
|
||
deque.pop_front(); // 队首元素出队
|
||
deque.pop_back(); // 队尾元素出队
|
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||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
int size = deque.size();
|
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||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
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bool empty = deque.empty();
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```
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=== "Java"
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```java title="deque.java"
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/* 初始化双向队列 */
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Deque<Integer> deque = new LinkedList<>();
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/* 元素入队 */
|
||
deque.offerLast(2); // 添加至队尾
|
||
deque.offerLast(5);
|
||
deque.offerLast(4);
|
||
deque.offerFirst(3); // 添加至队首
|
||
deque.offerFirst(1);
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
int peekFirst = deque.peekFirst(); // 队首元素
|
||
int peekLast = deque.peekLast(); // 队尾元素
|
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|
||
/* 元素出队 */
|
||
int popFirst = deque.pollFirst(); // 队首元素出队
|
||
int popLast = deque.pollLast(); // 队尾元素出队
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
int size = deque.size();
|
||
|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
boolean isEmpty = deque.isEmpty();
|
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```
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=== "C#"
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```csharp title="deque.cs"
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||
/* 初始化双向队列 */
|
||
// 在 C# 中，将链表 LinkedList 看作双向队列来使用
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||
LinkedList<int> deque = new();
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||
|
||
/* 元素入队 */
|
||
deque.AddLast(2); // 添加至队尾
|
||
deque.AddLast(5);
|
||
deque.AddLast(4);
|
||
deque.AddFirst(3); // 添加至队首
|
||
deque.AddFirst(1);
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
int peekFirst = deque.First.Value; // 队首元素
|
||
int peekLast = deque.Last.Value; // 队尾元素
|
||
|
||
/* 元素出队 */
|
||
deque.RemoveFirst(); // 队首元素出队
|
||
deque.RemoveLast(); // 队尾元素出队
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
int size = deque.Count;
|
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|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
bool isEmpty = deque.Count == 0;
|
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```
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=== "Go"
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```go title="deque_test.go"
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||
/* 初始化双向队列 */
|
||
// 在 Go 中，将 list 作为双向队列使用
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||
deque := list.New()
|
||
|
||
/* 元素入队 */
|
||
deque.PushBack(2) // 添加至队尾
|
||
deque.PushBack(5)
|
||
deque.PushBack(4)
|
||
deque.PushFront(3) // 添加至队首
|
||
deque.PushFront(1)
|
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/* 访问元素 */
|
||
front := deque.Front() // 队首元素
|
||
rear := deque.Back() // 队尾元素
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||
/* 元素出队 */
|
||
deque.Remove(front) // 队首元素出队
|
||
deque.Remove(rear) // 队尾元素出队
|
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||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
size := deque.Len()
|
||
|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
isEmpty := deque.Len() == 0
|
||
```
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=== "Swift"
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||
|
||
```swift title="deque.swift"
|
||
/* 初始化双向队列 */
|
||
// Swift 没有内置的双向队列类，可以把 Array 当作双向队列来使用
|
||
var deque: [Int] = []
|
||
|
||
/* 元素入队 */
|
||
deque.append(2) // 添加至队尾
|
||
deque.append(5)
|
||
deque.append(4)
|
||
deque.insert(3, at: 0) // 添加至队首
|
||
deque.insert(1, at: 0)
|
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|
||
/* 访问元素 */
|
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let peekFirst = deque.first! // 队首元素
|
||
let peekLast = deque.last! // 队尾元素
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/* 元素出队 */
|
||
// 使用 Array 模拟时 popFirst 的复杂度为 O(n)
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||
let popFirst = deque.removeFirst() // 队首元素出队
|
||
let popLast = deque.removeLast() // 队尾元素出队
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
let size = deque.count
|
||
|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
let isEmpty = deque.isEmpty
|
||
```
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=== "JS"
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||
```javascript title="deque.js"
|
||
/* 初始化双向队列 */
|
||
// JavaScript 没有内置的双端队列，只能把 Array 当作双端队列来使用
|
||
const deque = [];
|
||
|
||
/* 元素入队 */
|
||
deque.push(2);
|
||
deque.push(5);
|
||
deque.push(4);
|
||
// 请注意，由于是数组，unshift() 方法的时间复杂度为 O(n)
|
||
deque.unshift(3);
|
||
deque.unshift(1);
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
const peekFirst = deque[0];
|
||
const peekLast = deque[deque.length - 1];
|
||
|
||
/* 元素出队 */
|
||
// 请注意，由于是数组，shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
|
||
const popFront = deque.shift();
|
||
const popBack = deque.pop();
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
const size = deque.length;
|
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|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
const isEmpty = size === 0;
|
||
```
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||
=== "TS"
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||
|
||
```typescript title="deque.ts"
|
||
/* 初始化双向队列 */
|
||
// TypeScript 没有内置的双端队列，只能把 Array 当作双端队列来使用
|
||
const deque: number[] = [];
|
||
|
||
/* 元素入队 */
|
||
deque.push(2);
|
||
deque.push(5);
|
||
deque.push(4);
|
||
// 请注意，由于是数组，unshift() 方法的时间复杂度为 O(n)
|
||
deque.unshift(3);
|
||
deque.unshift(1);
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
const peekFirst: number = deque[0];
|
||
const peekLast: number = deque[deque.length - 1];
|
||
|
||
/* 元素出队 */
|
||
// 请注意，由于是数组，shift() 方法的时间复杂度为 O(n)
|
||
const popFront: number = deque.shift() as number;
|
||
const popBack: number = deque.pop() as number;
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
const size: number = deque.length;
|
||
|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
const isEmpty: boolean = size === 0;
|
||
```
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=== "Dart"
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```dart title="deque.dart"
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/* 初始化双向队列 */
|
||
// 在 Dart 中，Queue 被定义为双向队列
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Queue<int> deque = Queue<int>();
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/* 元素入队 */
|
||
deque.addLast(2); // 添加至队尾
|
||
deque.addLast(5);
|
||
deque.addLast(4);
|
||
deque.addFirst(3); // 添加至队首
|
||
deque.addFirst(1);
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
int peekFirst = deque.first; // 队首元素
|
||
int peekLast = deque.last; // 队尾元素
|
||
|
||
/* 元素出队 */
|
||
int popFirst = deque.removeFirst(); // 队首元素出队
|
||
int popLast = deque.removeLast(); // 队尾元素出队
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
int size = deque.length;
|
||
|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
bool isEmpty = deque.isEmpty;
|
||
```
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=== "Rust"
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```rust title="deque.rs"
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||
/* 初始化双向队列 */
|
||
let mut deque: VecDeque<u32> = VecDeque::new();
|
||
|
||
/* 元素入队 */
|
||
deque.push_back(2); // 添加至队尾
|
||
deque.push_back(5);
|
||
deque.push_back(4);
|
||
deque.push_front(3); // 添加至队首
|
||
deque.push_front(1);
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
if let Some(front) = deque.front() { // 队首元素
|
||
}
|
||
if let Some(rear) = deque.back() { // 队尾元素
|
||
}
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||
|
||
/* 元素出队 */
|
||
if let Some(pop_front) = deque.pop_front() { // 队首元素出队
|
||
}
|
||
if let Some(pop_rear) = deque.pop_back() { // 队尾元素出队
|
||
}
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
let size = deque.len();
|
||
|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
let is_empty = deque.is_empty();
|
||
```
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=== "C"
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```c title="deque.c"
|
||
// C 未提供内置双向队列
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```
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=== "Kotlin"
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```kotlin title="deque.kt"
|
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/* 初始化双向队列 */
|
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val deque = LinkedList<Int>()
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||
/* 元素入队 */
|
||
deque.offerLast(2) // 添加至队尾
|
||
deque.offerLast(5)
|
||
deque.offerLast(4)
|
||
deque.offerFirst(3) // 添加至队首
|
||
deque.offerFirst(1)
|
||
|
||
/* 访问元素 */
|
||
val peekFirst = deque.peekFirst() // 队首元素
|
||
val peekLast = deque.peekLast() // 队尾元素
|
||
|
||
/* 元素出队 */
|
||
val popFirst = deque.pollFirst() // 队首元素出队
|
||
val popLast = deque.pollLast() // 队尾元素出队
|
||
|
||
/* 获取双向队列的长度 */
|
||
val size = deque.size
|
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|
||
/* 判断双向队列是否为空 */
|
||
val isEmpty = deque.isEmpty()
|
||
```
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=== "Ruby"
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```ruby title="deque.rb"
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# 初始化双向队列
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# Ruby 没有内直的双端队列，只能把 Array 当作双端队列来使用
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deque = []
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# 元素如队
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deque << 2
|
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deque << 5
|
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deque << 4
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# 请注意，由于是数组，Array#unshift 方法的时间复杂度为 O(n)
|
||
deque.unshift(3)
|
||
deque.unshift(1)
|
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|
||
# 访问元素
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peek_first = deque.first
|
||
peek_last = deque.last
|
||
|
||
# 元素出队
|
||
# 请注意，由于是数组， Array#shift 方法的时间复杂度为 O(n)
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pop_front = deque.shift
|
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pop_back = deque.pop
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||
# 获取双向队列的长度
|
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size = deque.length
|
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|
||
# 判断双向队列是否为空
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is_empty = size.zero?
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```
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=== "Zig"
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```zig title="deque.zig"
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```
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??? pythontutor "可视化运行"
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https://pythontutor.com/render.html#code=from%20collections%20import%20deque%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%0A%20%20%20%20deq%20%3D%20deque%28%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E9%98%9F%0A%20%20%20%20deq.append%282%29%20%20%23%20%E6%B7%BB%E5%8A%A0%E8%87%B3%E9%98%9F%E5%B0%BE%0A%20%20%20%20deq.append%285%29%0A%20%20%20%20deq.append%284%29%0A%20%20%20%20deq.appendleft%283%29%20%20%23%20%E6%B7%BB%E5%8A%A0%E8%87%B3%E9%98%9F%E9%A6%96%0A%20%20%20%20deq.appendleft%281%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%20deque%20%3D%22,%20deq%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20front%20%3D%20deq%5B0%5D%20%20%23%20%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%85%83%E7%B4%A0%20front%20%3D%22,%20front%29%0A%20%20%20%20rear%20%3D%20deq%5B-1%5D%20%20%23%20%E9%98%9F%E5%B0%BE%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E5%B0%BE%E5%85%83%E7%B4%A0%20rear%20%3D%22,%20rear%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E9%98%9F%0A%20%20%20%20pop_front%20%3D%20deq.popleft%28%29%20%20%23%20%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E9%98%9F%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%87%BA%E9%98%9F%E5%85%83%E7%B4%A0%20%20pop_front%20%3D%22,%20pop_front%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E9%A6%96%E5%87%BA%E9%98%9F%E5%90%8E%20deque%20%3D%22,%20deq%29%0A%20%20%20%20pop_rear%20%3D%20deq.pop%28%29%20%20%23%20%E9%98%9F%E5%B0%BE%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E9%98%9F%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E5%B0%BE%E5%87%BA%E9%98%9F%E5%85%83%E7%B4%A0%20%20pop_rear%20%3D%22,%20pop_rear%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E9%98%9F%E5%B0%BE%E5%87%BA%E9%98%9F%E5%90%8E%20deque%20%3D%22,%20deq%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%E7%9A%84%E9%95%BF%E5%BA%A6%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len%28deq%29%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%E9%95%BF%E5%BA%A6%20size%20%3D%22,%20size%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20len%28deq%29%20%3D%3D%200%0A%20%20%20%20print%28%22%E5%8F%8C%E5%90%91%E9%98%9F%E5%88%97%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%20%3D%22,%20is_empty%29&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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## 双向队列实现 *
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双向队列的实现与队列类似，可以选择链表或数组作为底层数据结构。
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### 基于双向链表的实现
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回顾上一节内容，我们使用普通单向链表来实现队列，因为它可以方便地删除头节点（对应出队操作）和在尾节点后添加新节点（对应入队操作）。
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对于双向队列而言，头部和尾部都可以执行入队和出队操作。换句话说，双向队列需要实现另一个对称方向的操作。为此，我们采用“双向链表”作为双向队列的底层数据结构。
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如下图所示，我们将双向链表的头节点和尾节点视为双向队列的队首和队尾，同时实现在两端添加和删除节点的功能。
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=== "LinkedListDeque"
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=== "push_last()"
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=== "push_first()"
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=== "pop_last()"
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=== "pop_first()"
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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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### 基于数组的实现
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如下图所示，与基于数组实现队列类似，我们也可以使用环形数组来实现双向队列。
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=== "ArrayDeque"
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=== "push_last()"
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=== "push_first()"
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=== "pop_last()"
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=== "pop_first()"
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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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```
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## 双向队列应用
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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（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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