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Estrutura de dado: Fila

A narrow stree with a queue of people in the rainPhoto by Ethan Hu

A estrutura de dados fila é uma coleção de itens que seguem o princípio "primeiro a entrar, primeiro a sair". O primeiro elemento adicionado será o primeiro elemento a ser removido da fila. Assim, os elementos são adicionados na parte de trás e removidos da frente.

Uma analogia seria uma simples fila de pessoas esperando o próximo trem. No contexto de engenharia de software, um exemplo é um servidor web recebendo e respondendo solicitações.

Os principais métodos da API são enqueue (adicionar) e dequeue (remover). Mas também podemos adicionar outros métodos como parte da implementação da API: size, front, back e isEmpty.


Implementação de fila

Podemos criar uma classe Queue como um wrapper e usar a lista Python para armazenar os dados da fila. Esta classe terá a implementação dos métodos enqueue, dequeue, size, front, back e isEmpty.

O primeiro passo é criar uma definição de classe e como vamos armazenar nossos itens.

class Queue {
  constructor() {
    this.items = [];
  }
}

Isso é basicamente o que precisamos por enquanto. Apenas uma classe e seu construtor. Quando a instância for criada, ela terá a lista items para armazenar os itens da fila.

Para o método enqueue, só precisamos usar o método list append para adicionar novos itens. Os novos itens serão colocados no último índice desta lista de items. Portanto, o item da frente da fila sempre será o primeiro item.

enqueue(item) {
  this.items.push(item);
}

Ele recebe o novo item e o anexa à lista.

O método size conta apenas o número de itens da fila usando o atributo length.

size() {
  return this.items.length;
}

A ideia do método isEmpty é verificar se a lista contém ou não itens. Se tiver, retorna false. Caso contrário, true. Para contar o número de itens na fila, podemos simplesmente usar o método size já implementado.

isEmpty() {
  return this.size() === 0;
}

O método shift da estrutura de dados da lista também pode ser usado para retirar o item da fila. Ele desenfileira o primeiro elemento como é esperado para a fila. O primeiro item adicionado.

dequeue() {
  this.items.shift();
}

Para o método front, podemos apenas acessar o primeiro elemento da lista items.

front() {
  return this.items[0];
}

Se tiver pelo menos um item, obtemos a frente, o primeiro item adicionado na fila.

Para o método back, usei o método at para acessar o último elemento passando um -1:

back() {
  return this.items.at(-1);
}

Este recurso (.at()) está disponível apenas para NodeJS v17 ou posterior. Se estiver usando versões antigas, podemos usar o bom e velho this.items[this.items.length - 1].

Se tiver pelo menos um item, obtemos o item de volta, o último item adicionado na fila.

Uso da fila

O uso seria algo como:

const queue = new Queue();

queue.isEmpty(); // true
queue.size(); // 0

queue.enqueue(1); // [1]
queue.enqueue(2); // [1, 2]
queue.enqueue(3); // [1, 2, 3]
queue.enqueue(4); // [1, 2, 3, 4]
queue.enqueue(5); // [1, 2, 3, 4, 5]

queue.isEmpty(); // false
queue.size(); // 5;
queue.front(); // 1;
queue.back(); // 5;

queue.items; // [1, 2, 3, 4, 5];

queue.dequeue(); // [2, 3, 4, 5];
queue.dequeue(); // [3, 4, 5];
queue.dequeue(); // [4, 5];
queue.dequeue(); // [5];
queue.isEmpty(); // false
queue.dequeue(); // []
queue.isEmpty(); // true
queue.size(); // 0;

Primeiro instanciamos uma nova fila da classe Queue.

  • Então agora podemos verificar o seu vazio: sim, é!
  • Verifique o tamanho: 0.
  • Enfileirar 5 novos itens na fila: [1, 2, 3, 4, 5].
  • Verifique novamente o vazio: não mais!
  • Verifique o tamanho: 5.
  • Obtenha o elemento da frente: 1 porque foi o primeiro item adicionado.
  • Obter o elemento de volta: 5 porque foi o último item adicionado.
  • Desenforme 4 itens: 1, 2, 3 e 4.
  • Verifique se está vazio: ainda não está vazio!
  • O tamanho é 1 e a parte de trás e a frente são o mesmo número: 5
  • Retire o item restante.
  • Verifique se está vazio: agora está vazio!
  • O tamanho está de volta a 0.

Toda a implementação

class Queue {
  constructor() {
    this.items = [];
  }

  enqueue(item) {
    this.items.push(item);
  }

  dequeue() {
    this.items.shift();
  }

  isEmpty() {
    return this.size() === 0;
  }

  front() {
    return this.items[0];
  }

  back() {
    return this.items.at(-1);
  }

  size() {
    return this.items.length;
  }
}

Complexidades de tempo de execução e espaço

Agora sobre as complexidades de espaço e tempo de execução para cada método implementado.

O espaço é bem simples. É uma lista, então é O(n) onde n é o número atual de itens na pilha.

O tempo de execução para cada método é O(1), tempo constante.


Recursos

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