支持分页的环形队列

半夏知半秋2024-09-28 18:01

支持分页的环形队列

  • 源码
  • 解析
    • [PageCircularQueue 类](#PageCircularQueue 类)
    • [readonly 函数](#readonly 函数)
    • [PageCircularQueue.new 函数](#PageCircularQueue.new 函数)
    • [PageCircularQueue:enqueue 函数](#PageCircularQueue:enqueue 函数)
    • [PageCircularQueue:dequeue 函数](#PageCircularQueue:dequeue 函数)
    • [PageCircularQueue:peek 函数](#PageCircularQueue:peek 函数)
    • [PageCircularQueue:isFull 函数](#PageCircularQueue:isFull 函数)
    • [PageCircularQueue:isEmpty 函数](#PageCircularQueue:isEmpty 函数)
    • [PageCircularQueue:getSize 函数](#PageCircularQueue:getSize 函数)
    • [PageCircularQueue:getRawPage 函数](#PageCircularQueue:getRawPage 函数)
    • [PageCircularQueue:getPage 函数](#PageCircularQueue:getPage 函数)

最近我因工作需要使用环形队列，并在常规环形队列上拓展为支持分页环形队列，用于高效地管理大量数据，支持高效的元素添加、删除及分页数据的访问。通过分页的方式，它可以有效地管理大规模的数据集合

源码

lua 复制代码 
-- 创建一个分页的环形队列
local PageCircularQueue = {}
PageCircularQueue.__index = PageCircularQueue

local function readonly(t)
    local mt = {
        __index = t,
        __newindex = function (t, k, v) error("Attempt to modify read-only table", 2) end,
        __pairs = function () return pairs(t) end,
        __ipairs = function () return ipairs(t) end,
        __len = function () return #t end,
        __metatable = false
    }
    return setmetatable({}, mt)
end

--tips: head指向的当前队列中最早入队的元素，tail指向的为最新入队的元素

---创建新的环形队列对象
---@param max_pages number @最大页
---@param page_capacity number @每页最大数量
---@field head_page number @最新页
---@field tail_page number @最尾页
---@field head number @头元素所在页的位置
---@field tail number @尾元素所在页的位置
---@field max_size number @队列容量
---@field size number @队列长度
---@field pages table @页数据
function PageCircularQueue.new(max_pages, page_capacity)
    assert(max_pages > 0, "invalid max pages")
    assert(page_capacity > 0, "invalid page capacity")

    local self = setmetatable({}, PageCircularQueue)
    self.max_pages = max_pages
    self.page_capacity = page_capacity
    self.pages = {} -- 存储每个页的数据
    for i = 1, max_pages do
        self.pages[i] = {}
    end
    self.head_page = 1
    self.tail_page = 1
    self.head = 1
    self.tail = 0
    self.max_size = self.max_pages * self.page_capacity
    self.size = 0
    return self
end

-- 向队列中添加数据
function PageCircularQueue:enqueue(value)
    if value == nil then
        INFO("PageCircularQueue enqueue value is nil")
        return false
    end

    if self.size == self.max_size then
        -- 队列已满，覆盖最旧的元素
        if self.head == self.page_capacity then
            self.head = 1
            self.head_page = (self.head_page % self.max_pages) + 1
        else
            self.head = (self.head % self.page_capacity) + 1
        end
    else
        self.size = self.size + 1
    end

    self.tail = (self.tail % self.page_capacity) + 1
    self.pages[self.tail_page][self.tail] = value
    if self.tail == self.page_capacity then
        self.tail_page = (self.tail_page % self.max_pages) + 1
    end
    
    return true
end

-- 从队列中移除数据
function PageCircularQueue:dequeue()
    if self.size == 0 then
        return nil
    end

    local value = self.pages[self.head_page][self.head]
    -- self.pages[self.head_page][self.head] = nil  -- 因为会返回raw elements做遍历重建，删除仅做游标移动，不真正删除元素，保障为数组格式

    if self.head == self.page_capacity then
        self.head = 1
        self.head_page = (self.head_page % self.max_pages) + 1
    else
        self.head = (self.head % self.page_capacity) + 1
    end

    self.size = self.size - 1
    return value
end

function PageCircularQueue:peek()
    if self.size == 0 then
        return nil
    end

    return self.pages[self.head_page][self.head]
end

-- 检查队列是否已满
function PageCircularQueue:isFull()
    return self.size >= self.max_size
end

-- 检查队列是否为空
function PageCircularQueue:isEmpty()
    return self.size == 0
end

-- 获取队列的大小
function PageCircularQueue:getSize()
    return self.size
end

-- 获取指定页的详细数据
function PageCircularQueue:getRawPage(page_index)
    if page_index < 1 or page_index > self.max_pages then
        return false, "page index out of bounds " .. page_index
    end

    page_index = (self.head_page + page_index - 2) % self.max_pages + 1

    local elems = {}
    local index = self.head
    for i = 1, self.page_capacity do
        local target = self.pages[page_index][index]
        if not target then break end
        
        elems[i] = target
        if index == self.page_capacity then
            index = 1
            page_index = (page_index % self.max_pages) + 1
        else
            index = (index % self.page_capacity) + 1
        end
    end

    return true, readonly(elems)
end

function PageCircularQueue:getPage(page_index)
    if page_index < 1 or page_index > self.max_pages then
        return false, "page index out of bounds " .. page_index
    end

    
    local begin_page_index = (self.head_page + page_index - 2) % self.max_pages + 1
    local end_page_index = nil
    -- 需额外多发下一页
    if self.head ~= 1 then
        end_page_index = (begin_page_index % self.page_capacity) + 1
    end
    return true, self.head, self.page_capacity, readonly(self.pages[begin_page_index] or {}), end_page_index and readonly(self.pages[end_page_index] or {}) or {}
end

return PageCircularQueue

--[[
    使用示例
    for i = 1, 115 do
        self:enqueue(i)
    end

    local res, page_elems = self:getRawPage(1)
    for k, v in ipairs(page_elems) do
        DEBUG("res==> ", k, inspect(v)) 
    end

    只需通过getPage()将页数据同步到客户端，由客户端根据head page_capacity按需获取队列元素
    例：head为1，则只需变量self.pages[begin_page_index]中数据即可
    里：head为5，则1~6遍历self.pages[begin_page_index]，7~10遍历self.pages[end_page_index]中数据
]]--

解析

PageCircularQueue 类

  • PageCircularQueue 是一个表，用于表示环形队列的数据结构
  • PageCircularQueue.__index = PageCircularQueue 设置元表，允许 PageCircularQueue 的实例通过 __index 查找方法和属性

readonly 函数

  • readonly(t) 返回一个只读表，任何对表 t 的修改操作都会引发错误。这个表可以安全地暴露给外部使用者，用于限制外部修改其内容

PageCircularQueue.new 函数

这个函数用于创建一个新的 PageCircularQueue 实例

  • max_pages：最大页数，即队列的页数
  • page_capacity：每页的最大容量
  • self.pages：一个表，用于存储每页的数据。初始化时，每页都是一个空表
  • self.head_page 和 self.tail_page：分别指示队列的头页和尾页
  • self.head 和 self.tail：指示当前页内头元素和尾元素的位置
  • self.max_size：队列的总容量
  • self.size：当前队列中的元素数量

PageCircularQueue:enqueue 函数

这个方法用于向队列中添加元素

  • 如果队列已满（self.size == self.max_size），它会覆盖最旧的元素，即 head 指向的元素
  • 如果 self.head 达到当前页的最大容量（self.page_capacity），则需要将 self.head 重置为1，并且 self.head_page 移动到下一页
  • 更新 self.tail 和 self.tail_page 以插入新元素
  • self.size 增加1

PageCircularQueue:dequeue 函数

这个方法用于从队列中移除元素

  • 如果队列为空（self.size == 0），返回 nil
  • 移除 self.head_page 页中的 self.head 位置的元素
  • 更新 self.head 和 self.head_page，使其指向下一个元素
  • self.size 减少1

PageCircularQueue:peek 函数

这个方法用于查看队列的头元素

  • 如果队列为空，返回 nil
  • 否则，返回 self.pages[self.head_page][self.head]

PageCircularQueue:isFull 函数

这个方法用于检查队列是否已满

  • 如果 self.size 大于或等于 self.max_size，返回 true，否则返回 false

PageCircularQueue:isEmpty 函数

这个方法用于检查队列是否为空

  • 如果 self.size 等于0，返回 true，否则返回 false

PageCircularQueue:getSize 函数

这个方法返回队列的当前大小，即 self.size

PageCircularQueue:getRawPage 函数

这个方法用于获取指定页的所有数据

  • page_index 需要在有效范围内（1 到 self.max_pages）
  • 计算页的实际索引 page_index，从 self.head_page 开始，读取该页的数据并返回
  • 使用 readonly 包装返回的数据，确保外部无法修改

PageCircularQueue:getPage 函数

这个方法用于获取指定页的数据及其前后的页数据

  • page_index 需要在有效范围内（1 到 self.max_pages）
  • 计算起始页的实际索引，并且如果需要，还会获取下一页的数据
  • 返回的数据被包装为 readonly 表，确保数据的安全性
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