【译】Swift算法俱乐部-队列

本文是对 Swift Algorithm Club 翻译的一篇文章。

Swift Algorithm Club是 raywenderlich.com网站出品的用Swift实现算法和数据结构的开源项目，目前在GitHub上有18000+⭐️，我初略统计了一下，大概有一百左右个的算法和数据结构，基本上常见的都包含了，是iOSer学习算法和数据结构不错的资源。

?andyRon/swift-algorithm-club-cn是我对Swift Algorithm Club，边学习边翻译的项目。由于能力有限，如发现错误或翻译不妥，请指正，欢迎pull request。也欢迎有兴趣、有时间的小伙伴一起参与翻译和学习?。当然也欢迎加⭐️，?????。

本文的翻译原文和代码可以查看?swift-algorithm-club-cn/Queue

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队列(Queue)

这个话题已经有个辅导文章

队列的本质是一个列表，但只能从队尾添加元素，从队首移除元素。这保证了第一个入队的元素总是第一个出队。先到先得！

为什么要这样做呢？在很多算法的实现中，你可能需要将某些对象放到一个临时的列表中，之后再将其取出。通常加入和取出元素的顺序非常重要。

队列可以保证元素存入和取出的顺序是先进先出(first-in first-out, FIFO)的，第一个入队的元素总是第一个出队，公平合理！ 另外一个非常类似的数据结构是栈，它是一个后进先出(last-in, first-out, LIFO)的结构。

举例来说，我们将一个数字入队：

queue.enqueue(10)
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队列现在为 [ 10 ]。再将下一个数字入队：

queue.enqueue(3)
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队列现在为 [ 10, 3 ]。再加入一个数字：

queue.enqueue(57)
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队列现在为 [ 10, 3, 57 ]。现在我们将第一个元素出队：

queue.dequeue()
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这条语句返回数字 10，因为这是我们入队的第一个元素。队列现在是 [ 3, 57 ]。剩下的元素都往前移动一位。

queue.dequeue()
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这条语句返回 3，下次调用 dequeue 将返回 57，以此类推。如果队列为空，出队操作将返回 nil，在有些实现中，会触发一个错误信息。

注意： 队列并不总是最好的选择，如果加入和删除元素的顺序无所谓的话，你可以选择使用栈来达到目的。栈更加简单快速。

代码

下面给出了一个简单粗暴的队列实现。它只是简单地包装了一下自带的数组，并提供了入队(enqueue)、出队(dequeue)和取得队首元素(peek)三个操作：

public struct Queue<T> {
  fileprivate var array = [T]()

  public var isEmpty: Bool {
    return array.isEmpty
  }
  
  public var count: Int {
    return array.count
  }

  public mutating func enqueue(_ element: T) {
    array.append(element)
  }
  
  public mutating func dequeue() -> T? {
    if isEmpty {
      return nil
    } else {
      return array.removeFirst()
    }
  }
  
  public var front: T? {
    return array.first
  }
}
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上面实现的队列只是可以正常工作，但并没有任何的优化。

入队操作的时间复杂度为 O(1)，因为在数组的尾部添加元素只需要固定的时间，跟数组的大小无关。

你可能会好奇为什么在数组尾部添加元素的时间复杂度为 O(1)，或者说只需要固定的时间。这是因为在 Swift 的内部实现中，数组的尾部总是有一些预设的空间可供使用。如果我们进行如下操作：

var queue = Queue<String>()
queue.enqueue("Ada")
queue.enqueue("Steve")
queue.enqueue("Tim")
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则数组可能看起来想下面这样

  [ "Ada", "Steve", "Tim", xxx, xxx, xxx ]
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xxx 代表已经申请，但还没有使用的内存。在尾部添加一个新的元素就会用到下一块未被使用的内存：

  [ "Ada", "Steve", "Tim", "Grace", xxx, xxx ]
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这只是简单的拷贝内存的工作，只需要固定的常量时间。

当然，数组尾部的未使用内存的大小是有限的，如果最后一块未使用内存也被占用的时候，再添加元素会使得数组重新调整大小来获取更多的空间。

重新调整的过程包括申请新的内存，将已有数据迁移到新内存中。这个操作的时间复杂度是 O(n)，所以是一个较慢的操作。但考虑到这种情况并不常见，所以，这个操作的时间复杂度依然是 O(1) 的，或者说是近似 O(1) 的。

但出队操作就有点不一样了。出队操作是将数组头部的元素移除，而不是尾部。这个操作的时间复杂度永远都是 O(n)，因为这会导致内存的移位操作。

在我们的例子中，将 "Ada" 出队会使得 "Steve" 接替 "Ada" 的位置；"Tim" 接替 "Steve" 的位置；"Grace" 接替 "Tim" 的位置：

  出队前   [ "Ada", "Steve", "Tim", "Grace", xxx, xxx ]
                     /       /      /
                    /       /      /
                   /       /      /
                  /       /      /
  出队后   [ "Steve", "Tim", "Grace", xxx, xxx, xxx ]
复制代码

在内存中移动这些元素的时间复杂度永远都是 O(n)，所以我们实现的简单队列对于入队操作的效率是很高的，但对于出队操作的效率却较为低下。

更加高效的队列

为了让队列的出队操作更加高效，我们可以使用和入队所用的相同小技巧，保留一些额外的空间，只不过这次是在队首而不是队尾。这次我们需要手动编码实现这个想法，因为 Swift 内建数组并没有提供这种机制。

我们的想法如下：每当我们将一个元素出队，我们不再将剩下的元素向前移位（慢），而是将其标记为空（快）。在将 "Ada" 出队后，数组如下：

  [ xxx, "Steve", "Tim", "Grace", xxx, xxx ]
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"Steve" 出队后，数组如下：

  [ xxx, xxx, "Tim", "Grace", xxx, xxx ]
复制代码

这些在前端空出来的位子永远都不会再次使用，所以这是些被浪费的空间。解决方法是将剩下的元素往前移动来填补这些空位：

  [ "Tim", "Grace", xxx, xxx, xxx, xxx ]
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这就需要移动内存，所以这是一个 O(n) 操作，但因为这个操作只是偶尔发生，所以出队操作平均时间复杂度为 O(1)

下面给出了改进版的队列的时间方式：

public struct Queue<T> {
  fileprivate var array = [T?]()
  fileprivate var head = 0
  
  public var isEmpty: Bool {
    return count == 0
  }

  public var count: Int {
    return array.count - head
  }
  
  public mutating func enqueue(_ element: T) {
    array.append(element)
  }
  
  public mutating func dequeue() -> T? {
    guard head < array.count, let element = array[head] else { return nil }

    array[head] = nil
    head += 1

    let percentage = Double(head)/Double(array.count)
    if array.count > 50 && percentage > 0.25 {
      array.removeFirst(head)
      head = 0
    }
    
    return element
  }
  
  public var front: T? {
    if isEmpty {
      return nil
    } else {
      return array[head]
    }
  }
}
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现在数组存储的元素类型是 T?，而不是先前的 T，因为我们需要某种方式来将数组的元素标记为空。head 变量用于存储队列首元素的下标值。

绝大多数的改进都是针对 dequeue() 函数，在将队首元素出队时，我们首先将 array[head] 设置为 nil 来将这个元素从数组中移除。然后将 head 的值加一，使得下一个元素变成新的队首。

数组从这样：

  [ "Ada", "Steve", "Tim", "Grace", xxx, xxx ]
    head
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变成这样：

  [ xxx, "Steve", "Tim", "Grace", xxx, xxx ]
          head
复制代码

这就像在某个超市，在那里排队结账的人保持不动，而收银员从头往队尾移动来挨个结账。

当然，如果我们从不移除队首的空位，随着不断地入队和出队，队列所占空间将不断增长。为了周期性地清理无用空间，我们编写了如下代码：

    let percentage = Double(head)/Double(array.count)
    if array.count > 50 && percentage > 0.25 {
      array.removeFirst(head)
      head = 0
    }
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这段代码计算了队首空余的元素占数组总元素的百分比，如果空余元素超过 25%，我们就进行一波清理。但是，如果队列的长度过小，我们也不想频繁地清理空间，所以在清理空间之前，队列中至少要有 50 个元素。

注意： 50这个数字只是我凭空捏造的一个数字，在实际的项目中，你应该根据项目本身来选定一个合情合理的值。

在 Playground 中测试：

var q = Queue<String>()
q.array                   // [] empty array

q.enqueue("Ada")
q.enqueue("Steve")
q.enqueue("Tim")
q.array             // [{Some "Ada"}, {Some "Steve"}, {Some "Tim"}]
q.count             // 3

q.dequeue()         // "Ada"
q.array             // [nil, {Some "Steve"}, {Some "Tim"}]
q.count             // 2

q.dequeue()         // "Steve"
q.array             // [nil, nil, {Some "Tim"}]
q.count             // 1

q.enqueue("Grace")
q.array             // [nil, nil, {Some "Tim"}, {Some "Grace"}]
q.count             // 2
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为了测试队列的自动调整特性，将下面这段代码：

    if array.count > 50 && percentage > 0.25 {
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替换为：

    if head > 2 {
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现在，如果你再次执行出队操作，数组将看起来像下面这样：

q.dequeue()         // "Tim"
q.array             // [{Some "Grace"}]
q.count             // 1
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在数组前面的 nil 已经被移除了，数组本身也没有空间浪费了。新版本的队列实现并没有比初版复杂很多，但现在出队操作的复杂度已经从当初的 O(n) 变为了现在的 O(1)，只是因为我们在数组的使用策略上耍了一点小心机。

扩展阅读

事实上，队列还有很多种其他的实现方式，例如可以使用链表、环形缓冲区或是堆来实现。

队列有很多变体，包括双端队列，一个两端都可以出队和入队的队列；优先队列，一个有序的队列，最重要的元素排在队首。

作者：Matthijs Hollemans
译者：KSCO
校队：Andy Ron