【622. 设计循环队列】

来源：力扣（LeetCode）

描述：

设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。

循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。

你的实现应该支持如下操作：

• MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
• Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
• Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
• enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
• deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
• isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
• isFull(): 检查循环队列是否已满。

示例：

MyCircularQueue circularQueue = new MyCircularQueue(3); // 设置长度为 3
circularQueue.enQueue(1);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(2);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(3);  // 返回 true
circularQueue.enQueue(4);  // 返回 false，队列已满
circularQueue.Rear();  // 返回 3
circularQueue.isFull();  // 返回 true
circularQueue.deQueue();  // 返回 true
circularQueue.enQueue(4);  // 返回 true
circularQueue.Rear();  // 返回 4

提示：

• 所有的值都在 0 至 1000 的范围内；
• 操作数将在 1 至 1000 的范围内；
• 请不要使用内置的队列库。

方法一：数组

关于循环队列的概念可以参考：「循环队列」，我们可以通过一个数组进行模拟，通过操作数组的索引构建一个虚拟的首尾相连的环。在循环队列结构中，设置一个队尾 rear 与队首 front，且大小固定，结构如下图所示:

在循环队列中，当队列为空，可知 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，假设队列使用的数组有 capacity 个存储空间，则此时规定循环队列最多只能有 capacity − 1 个队列元素，当循环队列中只剩下一个空存储单元时，则表示队列已满。根据以上可知，队列判空的条件是 front = rear，而队列判满的条件是 front = (rear + 1)mod capacity。
对于一个固定大小的数组，只要知道队尾 rear 与队首 front，即可计算出队列当前的长度：

(rear − front + capacity)mod capacity

循环队列的属性如下:

• elements：一个固定大小的数组，用于保存循环队列的元素。
• capacity：循环队列的容量，即队列中最多可以容纳的元素数量。
• front：队列首元素对应的数组的索引。
• rear：队列尾元素对应的索引的下一个索引。

循环队列的接口方法如下：

• MyCircularQueue(int k): 初始化队列，同时 base 数组的空间初始化大小为 k + 1 。 front, rear 全部初始化为 0。
• enQueue(int value)：在队列的尾部插入一个元素，并同时将队尾的索引 rear 更新为 (rear + 1)mod capacity。
• deQueue()：从队首取出一个元素，并同时将队首的索引 front 更新为 (front + 1)mod capacity。
• Front()：返回队首的元素，需要检测队列是否为空。
• Rear()：返回队尾的元素，需要检测队列是否为空。
• isEmpty()：检测队列是否为空，根据之前的定义只需判断 rear 是否等于 front。
• isFull()：检测队列是否已满，根据之前的定义只需判断 front 是否等于 (rear + 1)modcapacity。

代码：

class MyCircularQueue {
private:
    int front;
    int rear;
    int capacity;
    vector<int> elements;

public:
    MyCircularQueue(int k) {
        this->capacity = k + 1;
        this->elements = vector<int>(capacity);
        rear = front = 0;
    }

    bool enQueue(int value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        elements[rear] = value;
        rear = (rear + 1) % capacity;
        return true;
    }

    bool deQueue() {
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        front = (front + 1) % capacity;
        return true;
    }

    int Front() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elements[front];
    }

    int Rear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return elements[(rear - 1 + capacity) % capacity];
    }

    bool isEmpty() {
        return rear == front;
    }

    bool isFull() {
        return ((rear + 1) % capacity) == front;
    }
};

执行用时：16 ms, 在所有 C++ 提交中击败了96.40%的用户
内存消耗：16.3 MB, 在所有 C++ 提交中击败了74.64%的用户
复杂度分析
时间复杂度：初始化和每项操作的时间复杂度均为 O(1)。
空间复杂度： O(k)，其中 k 为给定的队列元素数目。

方法二：链表

我们同样可以用链表实现队列，用链表实现队列则较为简单，因为链表可以在 O(1) 时间复杂度完成插入与删除。入队列时，将新的元素插入到链表的尾部；出队列时，将链表的头节点返回，并将头节点指向下一个节点。

循环队列的属性如下:

• head：链表的头节点，队列的头节点。
• tail：链表的尾节点，队列的尾节点。
• capacity：队列的容量，即队列可以存储的最大元素数量。
• size：队列当前的元素的数量。

代码：

class MyCircularQueue {
private:
    ListNode *head;
    ListNode *tail;
    int capacity;
    int size;

public:
    MyCircularQueue(int k) {
        this->capacity = k;
        this->size = 0;
        this->head = this->tail = nullptr;
    }

    bool enQueue(int value) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        ListNode *node = new ListNode(value);
        if (!head) {
            head = tail = node;
        } else {
            tail->next = node;
            tail = node;
        }
        size++;
        return true;
    }

    bool deQueue() {
        if (isEmpty()) {
            return false;
        }
        ListNode *node = head;
        head = head->next;  
        size--;
        delete node;
        return true;
    }

    int Front() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return head->val;
    }

    int Rear() {
        if (isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return tail->val;
    }

    bool isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    bool isFull() {
        return size == capacity;
    }
};

执行用时：20 ms, 在所有 C++ 提交中击败了84.30%的用户
内存消耗：16.4 MB, 在所有 C++ 提交中击败了25.54%的用户
复杂度分析
时间复杂度：初始化和每项操作的时间复杂度均为 O(1)。
空间复杂度： O(k)，其中 k 为给定的队列元素数目。
author：LeetCode-Solution