佇列、堆疊和優先佇列介紹及Redis實現
前言
佇列、堆疊和優先佇列是程式設計中常見的資料結構。本文首先簡單介紹一下這幾種資料結構，然後介紹如何用Redis實現這些資料結構。
資料結構簡介
佇列
普通佇列有以下幾個特性
- 先進先出（FIFO）
- 支援PUSH/POP，PUSH從尾端增加元素，POP從前端彈出元素
- 容量不受限制
從普通佇列可以衍生出定長佇列 ，它比普通佇列多出以下特性
- 有固定的容量（最大長度）
- 向滿載的佇列PUSH會失敗
從定長佇列可以衍生出可溢位的定長佇列 ，它比定長佇列多出以下特性
- 向滿載的佇列PUSH會成功，但前端的元素會被擠出
以上三種佇列都是單向佇列 ，只能從尾端PUSH，從前端POP。它們又分別可以衍生出各自的雙向 版本。
雙向佇列/定長佇列/可溢位的定長佇列
比單向版本多處以下特性
- PUSH/POP均可以從前端/後端進行
- 對於可溢位的雙向佇列，滿載時從一端PUSH，會從另一端將元素擠出
堆疊
普通堆疊有以下特性
- 後進先出 （LIFO）
- 支援PUSH/POP，從尾端追加/彈出元素
- 容量不受限制
衍生出的定長堆疊 多處以下特性
- 容量固定
- 向滿載的堆疊PUSH會失敗
定長堆疊沒有可溢位版本，因為堆疊只能從尾端PUSH/POP。
優先佇列
和普通佇列相比，優先佇列中的元素都有一個優先順序，佇列中的元素按優先順序排序，優先順序高的元素先被彈出。類似佇列，優先佇列有三種版本，他們的特性也類似佇列。
- 普通優先佇列
- 定長優先佇列
- 可溢位的定長優先佇列
其中可溢位的優先佇列，滿載時的PUSH操作會將優先順序低的元素擠出。
Redis實現
思路
佇列和堆疊都可以用Redis的list資料型別實現，因為list支援以下操作
- lpush/rpush，從左側/右側追加元素
- lpop/rpop，從左側/右側彈出元素
- llen，獲取佇列的長度
- lindex，獲取某個位置的元素
定長和可溢位版本，Redis原生的list型別無法實現，需要寫一點程式碼實現它們。Redis支援Lua指令碼程式設計，我們就用它來實現這些版本。
優先佇列可以用Redis的ZSET（SORTED SET）資料型別實現，ZSET為有序集合，集合中的元素都有一個分值，分值越低優先順序越高。我們同樣用Lua指令碼實現定長和可溢位版本。ZSET支援以下操作
- zadd，向集合增加元素
- zrange，按優先順序範圍獲取元素
- zrem，從集合中刪除元素
實現細節
佇列
rpush + lpop即可實現一個普通佇列。
對於定長佇列，push前需檢查佇列長度，如果滿載則返回錯誤碼，否則追加元素。
對於可溢位的定長佇列，push後檢查佇列長度，如果長度超出容量，則從前端將元素彈出。
堆疊和雙向佇列 的實現細節與之類似。
優先佇列
- PUSH操作用zadd實現
- POP操作用zrange + zrem實現
增強特性
為了充分利用Redis的強大之處，我們還可以增加一些有趣的特性
- 佇列批量PUSH：list的push命令原生支援批量追加元素，而且時間複雜度為O(1)
- 佇列批量POP：list的pop命令不支援批量彈出，需要我們用迴圈實現批量POP
- 優先佇列批量PUSH：zset的zadd命令支援批量追加元素
- 優先佇列批量POP：zrange批量獲取 + zrem迴圈刪除
- 檢查元素是否在佇列中：lindex獲取某個位置的元素，迴圈檢查即可得到結果
- 檢查元素是否在優先佇列中：zrank獲取某個元素的優先順序順序，即可得到結果
程式碼例項
我們看一下如何用Lua指令碼實現可溢位的定長佇列
PUSH
local cap=tonumber(ARGV[1])
for i,k in ipairs(ARGV) do
if i > 1 then
redis.call('rpush',KEYS[1],k)
end
end
local len=redis.call('llen',KEYS[1])
local o={}
while len > cap do
o[#o + 1]=redis.call('lpop',KEYS[1])
len=len - 1
end
return { len,o }
POP
local o={}
for i=1,tonumber(ARGV[1]) do
o[#o + 1]=redis.call('lpop',KEYS[1])
end
return o
程式碼已開源至github
PHP版本