算法笔记(四):队列

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队列: 一种操作受限制的线性表,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。队列的数据元素又称为队列元素。在队列中插入一个队列元素称为入队,从队列中删除一个队列元素称为出队。因为队列只允许在一端插入,在另一端删除,所以只有最早进入队列的元素才能最先从队列中删除,故队列又称为先进先出(FIFO—first in first out)线性表。 队列中没有元素时,称为空队列

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溢出: 队列在进行元素操作时存在上溢与下溢现象 "下溢"现象:当队列为空时,做出队运算产生的溢出现象。“下溢”是正常现象,常用作程序控制转移的条件。 "真上溢"现象:当队列满时,做进栈运算产生空间溢出的现象。“真上溢”是一种出错状态,应设法避免。 "假上溢"现象:由于入队和出队操作中,头尾指针只增加不减小,致使被删元素的空间永远无法重新利用。当队列中实际的元素个数远远小于向量空间的规模时,也可能由于尾指针已超越向量空间的上界而不能做入队操作。

顺序队列: 建立顺序队列结构必须为其静态分配或动态申请一片连续的存储空间,并设置两个指针进行管理。一个是队头指针front,它指向队头元素;另一个是队尾指针rear,它指向下一个入队元素的存储位置,每次在队尾插入一个元素是,rear增1;每次在队头删除一个元素时,front增1。随着插入和删除操作的进行,队列元素的个数不断变化,队列所占的存储空间也在为队列结构所分配的连续空间中移动。当front=rear时,队列中没有任何元素,称为空队列。

循环队列: 为了使队列空间能重复使用,往往对队列的使用方法稍加改进:无论插入或删除,一旦rear指针增1或front指针增1 时超出了所分配的队列空间,就让它指向这片连续空间的起始位置。从MaxSize-1增1变到0。这实际上是把队列空间想象成一个环形空间,环形空间中的存储单元循环使用,用这种方法管理的队列也就称为循环队列。除了一些简单应用之外,真正实用的队列是循环队列。在循环队列中,当队列为空时,有front=rear,而当所有队列空间全占满时,也有front=rear。为了区别这两种情况,规定循环队列最多只能有MaxSize-1个队列元素,当循环队列中只剩下一个空存储单元时,队列就已经满了。因此,队列判空的条件时front=rear,而队列判满的条件时rear=front+1。

例题: 给你一个由'1'(陆地)和 '0'(水)组成的的二维网格,请你计算网格中岛屿的数量。岛屿总是被水包围,并且每座岛屿只能由水平方向或竖直方向上相邻的陆地连接形成。此外,你可以假设该网格的四条边均被水包围。(文中算法题来自LeetCode,解题代码来自作者本人)

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解: 为了求出岛屿的数量,我们可以扫描整个二维网格。如果一个位置为1,则将其加入队列,开始进行广度优先搜索。在广度优先搜索的过程中,每个搜索到的1都会被重新标记为0。直到队列为空,搜索结束。最终岛屿的数量就是我们进行广度优先搜索的次数。

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例题: 你有一个带有四个圆形拨轮的转盘锁。每个拨轮都有10个数字: '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9' 。每个拨轮可以自由旋转:例如把 '9' 变为'0','0' 变为 '9' 。每次旋转都只能旋转一个拨轮的一位数字。 锁的初始数字为 '0000' ,一个代表四个拨轮的数字的字符串。列表 deadends包含了一组死亡数字,一旦拨轮的数字和列表里的任何一个元素相同,这个锁将会被永久锁定,无法再被旋转。 字符串target代表可以解锁的数字,你需要给出解锁需要的最小旋转次数,如果无论如何不能解锁,返回 -1 。

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解: 我们可以使用广度优先搜索,找出从初始数字0000到解锁数字target的最小旋转次数。具体地,我们在一开始将(0000,0) 加入队列,并使用该队列进行广度优先搜索。在搜索的过程中,设当前搜索到的数字为 status,旋转的次数为step,我们可以枚举status 通过一次旋转得到的数字。设其中的某个数字为next_status,如果其没有被搜索过,我们就将(next_status,step+1) 加入队列。如果搜索到了target,我们就返回其对应的旋转次数。为了避免搜索到死亡数字,我们可以使用哈希表存储deadends中的所有元素,这样在搜索的过程中,我们可以均摊O(1)地判断一个数字是否为死亡数字。同时,我们还需要一个哈希表存储所有搜索到的状态,避免重复搜索。如果搜索完成后,我们仍没有搜索到target,说明我们无法解锁,返回−1。

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