佇列 Queue

佇列是一個具有先進先出 FIFO 特性的資料結構。從 Wikipedia 上的圖為例，一個資料從左邊進入佇列並從右邊離開，最先進入佇列的資料會最先被取出。

佇列常見實作方式有：陣列 array、鏈結串列 linked list。為了使概念容易理解，我們選擇以類似陣列的 Vector 實作。

本次實作的程式碼置於 rust_algorithm_club::collections::Queue API 文件中。

架構設計

#![allow(unused)]
fn main() {
pub struct Queue<T> {
    items: Vec<T>,
}
}

以 items 保存加入佇列的資料。大部分用陣列實作的佇列可能會有 front 和 rear 兩個欄位負責保存指向佇列開頭和尾端的索引，作為佇列新增刪除資料的依據，但是透過 Rust 的 std::vec::Vec（線形動態成長的陣列容器），我們可以直接取得佇列第一以及最後一筆資料，所以這邊實作忽略這兩個欄位。

基本操作

• enqueue：將新資料加入佇列
• dequeue：將最先放入的資料移出佇列
• peek：在不將資料移出佇列的情況下取得最先放入的資料
• size：取得佇列大小

定義佇列

#![allow(unused)]
fn main() {
    pub fn new() -> Self {
        Self { items: Vec::new() }
    }
}

初始化具有 Vec 的佇列。

將新資料加入佇列

#![allow(unused)]
fn main() {
    pub fn enqueue(&mut self, item: T) {
        self.items.push(item);
    }
}

由於 enqueue 會改變 items，因此需要佇列的 mutable reference。再來，我們沒有限制佇列大小，全由 Rust 的 Vec 自行分配空間，將新資料放到 items 的最後端。

將最先放入的資料移出佇列

#![allow(unused)]
fn main() {
    pub fn dequeue(&mut self) -> Option<T> {
        match self.items.is_empty() {
            false => Some(self.items.remove(0)),
            true => None,
        }
    }
}

items 有可能是空的，在移出資料之前需要檢查，然後移出 index 為零的資料，也就是最先放入的資料。

取得佇列大小

#![allow(unused)]
fn main() {
    pub fn size(&self) -> usize {
        self.items.len()
    }
}

取得 items 的大小。

不改變佇列的情況下，取得最先放入的資料

#![allow(unused)]
fn main() {
    pub fn peek(&self) -> Option<&T> {
        self.items.first()
    }
}

這裡的作法很單純，就是呼叫 Vec 底層 slice::first，回傳一個 Option<T>，不會影響到底層的 Vec 的內容。

效能

*：注意，一般來說 dequeue 會選用 O(1) 的實作方式，這裡直接呼叫 Vec::remove 會導致整個 Vec<T> 的元素向前位移一個，是較耗費計算資源的 O(n) 操作。

我們可以選用其他方式實作，例如用額外指標紀錄當前 head 所在位置的雙端佇列 Deque，或是使用單向鏈結串列 Singly linked list 實作，都能達到 O(1) 的時間複雜度。

參考資料

• Queue (abstract data type)