circular-queue 자료구조와 문제풀이 [leetcode]
진짜 백만 년에 알고리즘 문제풀이에 대해서 글을 쓴다.
그동안 잘 안 썼는데, 문제 푸는 것보다 글 쓰는 게 더 어렵다고 느껴졌기 때문이다.
그렇지만 이번에 쓰는 이유는 내가 잘 안 쓰는 자료구조이기도 하고,
학교 다닐땐 알고리즘 코딩 테스트에서 못 풀었었는데 지금은 푼 기념으로 정리하고자 글을 적는다.
이번에 쓸 자료구조는 queue의 변형인 circular-queue 다.
우선 queue 란,
stack 자료구조와 다르게 first-in first-out (FIFO)의 입출 로직을 갖는 자료구조를 얘기한다.
여기에 빈 배열이 있다고 치자.
[ ]
차례로 1,2,3 의 숫자를 집어넣는다 치면 (enqueue라고 한다.)
[1,2,3]으로 들어가고, 꺼낼 땐 (dequeue라고 한다.)
1 ← [2, 3]
2 ← [3]
3 ← [ ]
의 순서로 꺼내지는 배열 자료구조를 말한다.
하지만 오늘 볼건 이 배열을 원형으로 두른다. (일명 circular-queue)
왜? 원형으로 만드냐? 원형으로 만들면 무어가 좋더냐?
선형 큐의 문제점(배열로 큐를 선언할 시 큐의 삭제와 생성이 계속 일어났을 때, 마지막 배열에 도달 후 실제로는 데이터 공간이 남아있지만 오버플로우가 발생)을 보완한 것이 환형 큐이다. front가 큐의 끝에 닿으면 큐의 맨 앞으로 자료를 보내어 원형으로 연결하는 방식이다.
자 그럼 기존 큐랑 다르게 무얼 고려해야 하느냐?
기존 큐엔 앞과 뒤가 고정되어있기 때문에 난 뒤!로 넣고, 앞!으로 빼면 된다
원형 큐의 경우
추가(뒤에 추가)하다가 배열 끝에 다다르면
맨 앞에 자리가 남았는지! 확인하고 넣을 수 있다는 점
때문에 front와 rear의 포인터를 두고 코드 내 고려해 짜야한다는 점이다.
(즉, rear의 index < front의 index 인 상황도 생긴다는 얘기… 이것만 해도 2학년의 나는 머리 아팠다.)
아래 그림의 마지막 enQueue 부분을 보자.
문제를 통해 살펴보자.
첫번째 문제
Design Circular Queue - LeetCode
Design Circular Queue - LeetCode
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leetcode.com
처음 문제를 봤을 때만 해도 원형 큐에 대해 무지했기 때문에 구글링을 통해 개념을 살펴봤다.
살펴본 블로그 → https://lktprogrammer.tistory.com/59
해당 블로그에선 원형 큐의 포화상태를 확인하기 위해 배열을 하나 크게 만들고 한 칸은 비워둔 채로 구현했다.
그래서 나 역시 원래 그렇게 구현하는 건가? 하면서 문제에 맞게 구현했다.
class MyCircularQueue:
def __init__(self, k: int):
self.qu = [-1] * (k+1)
self.front = 0
self.rear = 0
self.capacity = (k+1)원형 큐를 선언하는 부분이다.
인자로는 k 값이 들어오는데 이는 원형 큐의 전체 배열 크기이다. (=capacity)
위 블로그에 따라 배열을 입력으로 들어오는 k보다 +1칸 늘려준다.
입력되기 전 front, rear 포인터는 0으로 초기화해준다.
def isEmpty(self) -> bool:
if self.front == self.rear:
return True
else:
return False
def isFull(self) -> bool:
if (self.rear+1) % self.capacity == self.front:
return True
else:
return False원형 큐가 비어 있는지 확인하는 함수로는 isEmpty 가 있고,
front값과 rear 값이 같다면 현재 큐 배열에는 값이 들어있지 않기 때문이고, 그럼 True를 반환한다.
원형 큐가 포화상태인지 확인하는 함수로는 isFull이 있고,
rear+1 % capacity 값이 front 포인터와 같다면 포화상태로 판단, True를 반환한다.
배열의 크기를 1이라고 생각해보자 (k=1 → capacity = k+1 = 2)
생성자에 정의한 대로는 [-1, -1]이고 front와 rear는 각 0 인 상태다.
이때 1이라는 값을 큐 에 삽입시 rear값은 1 증가
[1,-1]이고 front = 0, rear = 1이다.
이때 isFull 함수를 실행 시
rear+1 % capacity ⇒ (1+1) % 2 → 0
front = 0 이므로 현재 큐 배열은 꽉 차 있는 상태라고 판단할 수 있다.
def enQueue(self, value: int) -> bool:
if (self.rear+1) % self.capacity != self.front:
self.qu[(self.rear+1) % self.capacity] = value
self.rear = (self.rear+1) % self.capacity
return True
else:
return Falseenqueue의 경우
위에서 살펴본 대로 꽉 차있는지 확인 후 아니라면
한 칸씩 넣어준다. 이때 rear+1 이 아니라 rear+1 % capacity로 rear의 포인터를 조정하는데
이 역시 원형 큐의 특성 때문이다. (배열의 마지막까지 채웠다면 맨 앞에 넣기 위해!)
def deQueue(self) -> bool:
if self.front != self.rear:
self.qu[(self.front+1)%self.capacity] = -1
self.front = (self.front+1)%self.capacity
return True
else:
return Falsedequeue의 경우
front와 rear가 같지 않은지 확인 후 (비어 있는지 확인)
비어있지 않다면 rear와 마찬가지로 해당 자리를 비워준다.
(역시 front+1 % capacity 로 포인터를 조정해준다.)
전체 코드는 아래와 같다.
class MyCircularQueue:
def __init__(self, k: int):
self.qu = [-1] * (k+1)
self.front = 0
self.rear = 0
self.capacity = (k+1)
def enQueue(self, value: int) -> bool:
if (self.rear+1) % self.capacity != self.front:
self.qu[(self.rear+1) % self.capacity] = value
self.rear = (self.rear+1) % self.capacity
return True
else:
return False
def deQueue(self) -> bool:
if self.front != self.rear:
self.qu[(self.front+1)%self.capacity] = -1
self.front = (self.front+1)%self.capacity
return True
else:
return False
def Front(self) -> int:
return self.qu[(self.front+1)%self.capacity]
def Rear(self) -> int:
return self.qu[self.rear]
def isEmpty(self) -> bool:
if self.front == self.rear:
return True
else:
return False
def isFull(self) -> bool:
if (self.rear+1) % self.capacity == self.front:
return True
else:
return Falseleetcode의 경우, 문제를 맞히면 관련 문제를 추천해주는데
추천받은 문제로 조금 더 심화 문제가 있어 가지고 왔다.
두 번째 문제
Design Circular Deque - LeetCode
Design Circular Deque - LeetCode
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queue를 원형으로 만들면 circular-queue
queue를 양쪽에서 뺄 수 있게 만들면? double-ended queue (줄여서 deque)
근데 그 deque를 원형으로 만들면 바로 오늘의 문제 되시겠다.
- queue는 뒤!로 넣고, 앞!으로 뺀다.
- circular- queue는 뒤!로 넣고, 앞!으로 뺀다. 하지만 빙글빙글 돌기에 앞과 뒤를 내가 정의하고 알고 있어야 한다.
- circular- deque는 뒤로도 넣고, 앞으로도 넣고, 역시 빙글빙글 돌기에 앞과 뒤를 내가 정의하고 있어야 한다.
문제 보고 머리가 아팠었다.
게다가 위 문제처럼 한 칸 더 만들고, 그거의 앞과 뒤를 체크하고 하려니 먼가 직관적이지 않았다.
꼭 front, rear 포인트로 isFull, isEmpty를 체크해야 할까?
이때 지난번 본 java의 arrayList가 떠오르면서 count 개념을 도입했다.
데이터 추가 시 count + 1 , 데이터 제거 시 count - 1 이면
isEmpty는 count == 0 인지만 체크
isFull 은 count == capacity 인지만 체크하면 훨씬 직관적이고 편해진다.
class MyCircularDeque:
def __init__(self, k: int):
self.count = 0
self.capacity = k
self.dequ = [-1]*k
self.front = 0
self.rear = 0
위 문제와 다르게 이번엔 한 칸 더 설정하지 않는다.
대신 count 변수를 두고 데이터 입출력 시 +/- 작업을 해준다.
def isEmpty(self) -> bool:
if self.count == 0:
return True
else:
return False
def isFull(self) -> bool:
if self.count == self.capacity:
return True
else:
return False위와 다르게 front, rear의 포인터를 확인하는 게 아닌 단순히 count 값을 통해 확인하고 있다.
(확실히 직관적이고 짧아졌다.)
circular-queue와 동일하게 환형 큐로써, 뒤!로 넣고 앞!으로 나오는 로직은 동일하다.
def insertLast(self, value: int) -> bool:
if self.isFull() == False:
self.dequ[self.rear % self.capacity] = value
self.rear = (self.rear+1) % self.capacity
self.count += 1
return True
else:
return False
def deleteFront(self) -> bool:
if self.isEmpty() == False:
self.dequ[self.front] = -1
self.front = (self.front+1)%self.capacity
self.count -= 1
return True
else:
return False위 원형 큐와 다른 점은 rear+1을 데이터를 넣은 다음에 수행한다는 점이다.
그리고 넣은 다음엔 count + 1을, 뺀 다음엔 count - 1을 수행해준다.
그리고 대망의 deque 만의 앞으로 넣기
앞으로 넣을 땐 문제가
- 현재 queue에 들어있는 모든 값을 하나씩 뒤로 옮겨주어야 한다는 점
- 까먹지 말고 rear의 포인터를 +1 해줘야 한다는 점
이 존재한다.
def insertFront(self, value: int) -> bool:
if self.isFull() == False:
prev = self.dequ[self.front]
for i in range(self.front+1, self.front+self.count+1):
next_index = (i%self.capacity)
temp = self.dequ[next_index]
self.dequ[next_index] = prev
prev = temp
self.dequ[self.front] = value
self.rear = (self.rear+1)%self.capacity
self.count += 1
return True
else:
return False중간에 front 뒤부터 count 만큼 이동하면서 한 칸씩 뒤로 복사해주는 loop를 볼 수 있다.
이 때문에 맨 앞에서 넣는 작업 시 배열의 모든 값을 이동시키느라 가장 오래 걸리는 작업 O(N) 이 된다.
이와는 다르게 뒤로 뺄 때는 상대적으로 쉽다. rear-1을 해주면 된다.
def deleteLast(self) -> bool:
if self.isEmpty() == False:
self.rear = (self.rear-1)%self.capacity
self.dequ[self.rear] = -1
self.count -= 1
return True
else:
return False아래는 전체 코드이다.
class MyCircularDeque:
def __init__(self, k: int):
self.count = 0
self.capacity = k
self.dequ = [-1]*k
self.front = 0
self.rear = 0
def insertFront(self, value: int) -> bool:
if self.isFull() == False:
prev = self.dequ[self.front]
for i in range(self.front+1, self.front+self.count+1):
next_index = (i%self.capacity)
temp = self.dequ[next_index]
self.dequ[next_index] = prev
prev = temp
self.dequ[self.front] = value
self.rear = (self.rear+1)%self.capacity
self.count += 1
return True
else:
return False
def insertLast(self, value: int) -> bool:
if self.isFull() == False:
self.dequ[self.rear % self.capacity] = value
self.rear = (self.rear+1) % self.capacity
self.count += 1
return True
else:
return False
def deleteFront(self) -> bool:
if self.isEmpty() == False:
self.dequ[self.front] = -1
self.front = (self.front+1)%self.capacity
self.count -= 1
return True
else:
return False
def deleteLast(self) -> bool:
if self.isEmpty() == False:
self.rear = (self.rear-1)%self.capacity
self.dequ[self.rear] = -1
self.count -= 1
return True
else:
return False
def getFront(self) -> int:
return self.dequ[self.front]
def getRear(self) -> int:
return self.dequ[(self.rear-1)%self.capacity]
def isEmpty(self) -> bool:
if self.count == 0:
return True
else:
return False
def isFull(self) -> bool:
if self.count == self.capacity:
return True
else:
return False오늘은 학교 다닐 때 못 풀었던 circular queue를 살펴보았다. 끝!