JavaScript資料結構03 - 佇列

leocoder發表於2018-07-26
JavaScript資料結構佇列

一、定義

前面我們學習了棧的實現，佇列和棧非常類似，但是使用了不同的原則，而非後進先出。

佇列是遵循FIFO（First In First Out，先進先出）原則的一組有序的項。佇列在尾部新增新元素，並從頂部移除元素。最新新增的元素必須排在佇列的末尾。

在電腦科學中，一個最常見的例子就是列印佇列。比如說我們要列印五份文件。我們會開啟每個文件，然後點選列印按鈕。每個文件都會被髮送至列印佇列。第一個傳送到列印佇列的文件會首先被列印，以此類推，直到列印完所有文件。

二、佇列的實現

2.1 普通佇列

建立普通佇列類：

// Queue類
function Queue () {
  this.items = [];

  this.enqueue = enqueue;
  this.dequeue = dequeue;
  this.front = front;
  this.isEmpty = isEmpty;
  this.size = size;
  this.clear = clear;
  this.print = print;
}
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佇列裡面有一些宣告的輔助方法：

  • enqueue(element)：向佇列尾部新增新項
  • dequeue()：移除佇列的第一項（即排在佇列最前面的項），並返回被移除的元素
  • front()：返回佇列中第一個元素，佇列不做任何變動，和Stack的peek()方法類似
  • isEmpty()：如果佇列中不包含任何元素，返回true，否則返回false
  • size()：返回佇列包含的元素個數，與陣列的length屬性類似
  • print()：列印佇列中的元素
  • clear()：清空整個佇列

下面我們來一一實現這些輔助方法：

// 向佇列尾部新增元素
function enqueue (element) {
  this.items.push(element);
}

// 移除佇列的第一個元素，並返回被移除的元素
function dequeue () {
  return this.items.shift();
}

// 返回佇列的第一個元素
function front () {
  return this.items[0];
}

// 判斷是否為空佇列
function isEmpty () {
  return this.items.length === 0;
}

// 獲取佇列的長度
function size () {
  return this.items.length;
}

// 清空佇列
function clear () {
  this.items = [];
}

// 列印佇列裡的元素
function print () {
  console.log(this.items.toString());
}
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建立普通佇列例項進行測試：

// 建立Queue例項
var queue = new Queue();

console.log(queue.isEmpty());     // true
queue.enqueue("John");            // undefined
queue.enqueue("Jack");            // undefined
queue.enqueue("Camila");          // undefined
queue.print();                    // "John,Jack,Camila"
console.log(queue.size());        // 3
console.log(queue.isEmpty());     // false
queue.dequeue();                  // "John"
queue.dequeue();                  // "Jack"
queue.print();                    // "Camila"
queue.clear();                    // undefined
console.log(queue.size());        // 0
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2.2 優先佇列

2.2.1 定義

普通佇列的新增和移除只依賴於先後順序，先來的先新增，後來的後新增，然後按照先後順序依次從佇列移除。

但是，還有一種佇列叫優先佇列，元素的新增和移除是依賴優先順序的。

一個現實的例子就是機場登機的順序。頭等艙和商務艙乘客的優先順序要高於經濟艙乘客。再比如火車，老年人、孕婦和帶小孩的乘客是享有優先檢票權的。

2.2.2 分類

優先佇列分為兩類：

  1. 最小優先佇列
  2. 最大優先佇列

最小優先佇列是把優先順序的值最小的元素被放置到佇列的最前面（代表最高的優先順序）。比如有四個元素："John", "Jack", "Camila", "Tom"，他們的優先順序值分別為4，3，2，1。

那麼最小優先佇列排序應該為："Tom"，"Camila"，"Jack"，"John"。

最大優先佇列正好相反，把優先順序值最大的元素放置在佇列的最前面，以上面的為例，最大優先佇列排序應該為："John", "Jack", "Camila", "Tom"。

2.2.2 實現

實現一個優先佇列，有兩種選項：

  1. 設定優先順序，根據優先順序正確新增元素，然後和普通佇列一樣正常移除
  2. 設定優先順序，和普通佇列一樣正常按順序新增，然後根據優先順序移除

這裡最小優先佇列和最大優先佇列我都採用第一種方式實現，大家可以嘗試一下第二種。

所以我只重寫enqueue()方法和print()方法，其他方法和上面的普通佇列完全相同。完整程式碼見我的github。

實現最小優先佇列：

// 定義最小優先佇列
function MinPriorityQueue () {
  this.items = [];

  this.enqueue = enqueue;
  this.dequeue = dequeue;
  this.front = front;
  this.isEmpty = isEmpty;
  this.size = size;
  this.clear = clear;
  this.print = print;
}
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實現最小優先佇列enqueue()方法和print()方法：

// 優先佇列新增元素，要根據優先順序判斷在佇列中的插入順序
function enqueue (element, priority) {
  var queueElement = {
    element: element,
    priority: priority
  };

  if (this.isEmpty()) {
    this.items.push(queueElement);
  } else {
    var added = false;

    for (var i = 0; i < this.size(); i++) {
      if (queueElement.priority < this.items[i].priority) {
        this.items.splice(i, 0, queueElement);
        added = true;
        break ;
      }
    }

    if (!added) {
      this.items.push(queueElement);
    }
  }
}

// 列印佇列裡的元素
function print () {
  var strArr = [];

  strArr = this.items.map(function (item) {
    return `${item.element}->${item.priority}`;
  });

  console.log(strArr.toString());
}
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最小優先佇列測試：

// 建立最小優先佇列minPriorityQueue例項
var minPriorityQueue = new MinPriorityQueue();

console.log(minPriorityQueue.isEmpty());     // true
minPriorityQueue.enqueue("John", 1);         // undefined
minPriorityQueue.enqueue("Jack", 3);         // undefined
minPriorityQueue.enqueue("Camila", 2);       // undefined
minPriorityQueue.enqueue("Tom", 3);          // undefined
minPriorityQueue.print();                    // "John->1,Camila->2,Jack->3,Tom->3"
console.log(minPriorityQueue.size());        // 4
console.log(minPriorityQueue.isEmpty());     // false
minPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "John", priority: 1}
minPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "Camila", priority: 2}
minPriorityQueue.print();                    // "Jack->3,Tom->3"
minPriorityQueue.clear();                    // undefined
console.log(minPriorityQueue.size());        // 0
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實現最大優先佇列
最大優先佇列只要將優先順序的判斷改為大於號">"就可以了：

// 最大優先佇列MaxPriorityQueue類
function MaxPriorityQueue () {
  this.items = [];

  this.enqueue = enqueue;
  this.dequeue = dequeue;
  this.front = front;
  this.isEmpty = isEmpty;
  this.size = size;
  this.clear = clear;
  this.print = print;
}

// 優先佇列新增元素，要根據優先順序判斷在佇列中的插入順序
function enqueue (element, priority) {
  var queueElement = {
    element: element,
    priority: priority
  };

  if (this.isEmpty()) {
    this.items.push(queueElement);
  } else {
    var added = false;

    for (var i = 0; i < this.items.length; i++) {
      // 注意，只需要將這裡改為大於號就可以了
      if (queueElement.priority > this.items[i].priority) {
        this.items.splice(i, 0, queueElement);
        added = true;
        break ;
      }
    }

    if (!added) {
      this.items.push(queueElement);
    }
  }
}
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最大優先佇列測試：

// 建立最大優先佇列maxPriorityQueue例項
var maxPriorityQueue = new MaxPriorityQueue();

console.log(maxPriorityQueue.isEmpty());     // true
maxPriorityQueue.enqueue("John", 1);         // undefined
maxPriorityQueue.enqueue("Jack", 3);         // undefined
maxPriorityQueue.enqueue("Camila", 2);       // undefined
maxPriorityQueue.enqueue("Tom", 3);          // undefined
maxPriorityQueue.print();                    // "Jack->3,Tom->3,Camila->2,John->1"
console.log(maxPriorityQueue.size());        // 4
console.log(maxPriorityQueue.isEmpty());     // false
maxPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "Jack", priority: 3}
maxPriorityQueue.dequeue();                  // {element: "Tom", priority: 3}
maxPriorityQueue.print();                    // "Camila->2,John->1"
maxPriorityQueue.clear();                    // undefined
console.log(maxPriorityQueue.size());        // 0
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2.3 迴圈佇列

還有一種佇列實現叫做迴圈佇列。

迴圈佇列的一個例子就是擊鼓傳花遊戲（Hot Potato）。在這個遊戲中，孩子們圍城一個圓圈，擊鼓的時候把花盡快的傳遞給旁邊的人。某一時刻擊鼓停止，這時花在誰的手裡，誰就退出圓圈直到遊戲結束。重複這個過程，直到只剩一個孩子（勝者）。

下面我們在普通佇列的基礎上，實現一個模擬的擊鼓傳花遊戲：

// 實現擊鼓傳花
function hotPotato (nameList, num) {
  var queue = new Queue();

  for (var i = 0; i < nameList.length; i++) {
    queue.enqueue(nameList[i]);
  }

  var eliminated = '';

  while (queue.size() > 1) {
    // 迴圈num次，隊首出來去到隊尾
    for (var i = 0; i < num; i++) {
      queue.enqueue(queue.dequeue());
    }
    // 迴圈num次過後，移除當前隊首的元素
    eliminated = queue.dequeue();
    console.log(`${eliminated}在擊鼓傳花中被淘汰！`);
  }

  // 最後只剩一個元素
  return queue.dequeue();
}

// 測試
var nameList = ["John", "Jack", "Camila", "Ingrid", "Carl"];
var winner = hotPotato(nameList, 10);
console.log(`最後的勝利者是：${winner}`);
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執行結果為：

// John在擊鼓傳花中被淘汰！
// Ingrid在擊鼓傳花中被淘汰！ 
// Jack在擊鼓傳花中被淘汰！
// Camila在擊鼓傳花中被淘汰！
// 最後的勝利者是：Carl
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三、結束

本文會同步到我的個人部落格，完整程式碼可以到我的github倉庫檢視，如果對你有幫助的話歡迎點一個Star~~

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