Haskell 中可用的最佳（可变）队列数据结构

Question

尊敬的堆栈交换员，

我目前正在实现一些需要访问“队列”（FIFO）数据结构的算法。我正在使用 ST monad ，因此我正在寻找与 ST monad 的“内存可变性”相辅相成的队列实现。此时，我只是想在列表上使用 newSTRef （但同样，访问最后一个element 是 O(n) 复杂性，我想尽可能避免）。我也想过使用 Data.Sequence，但我不确定如果在 ST monad 中使用它是否真的会“可变” newSTRef 初始化。

Stack Exchange 的好心成员能否指导 Haskell 的初学者在上述情况下什么是最好的数据结构（或模块）？

Answer 1

选项包括在STArray 之上实现传统的ring buffer，或使用由STRefs 构建的可变单链表，如下所示：

type CellRef s a = STRef s (Cell s a)
data Cell s a = End | Cell a (CellRef s a)
data Q s a = Q { readHead, writeHead :: CellRef s a }

如果您希望Q 易于增长，但又喜欢环形缓冲区的低指针开销，您可以通过让每个单元格都有一个慢慢填满的STArray 来获得中间立场。当它满了，分配一个新的单元格；当读取它清空它时，前进到下一个单元格。你明白了。

Answer 2

FIFO 队列的标准实现是两个 LIFO 堆栈，一个包含从队列前面开始的项目（下一个要删除的项目在顶部），另一个包含从后面开始的项目（与最近推送的项目）。从队列中弹出时，如果前栈为空，则将其替换为后栈的反转。

如果两个堆栈都实现为 Haskell 列表，那么向队列中添加一个值是 O(1)，如果数据结构以单线程方式使用，则移除一个值是摊销 O(1)。常数因素还不错。您可以将整个数据结构放在 STRef 中（保证单线程使用）。实现只是几行代码。您绝对应该优先执行此操作，而不是您的 O(n) 单列表想法。

您也可以使用Data.Sequence。与两栈队列一样，它是一种纯函数式数据结构，即对它的操作返回一个新的数据结构，而旧的数据结构保持不变。但是，就像两栈队列一样，您可以通过简单地将新数据结构写入保存旧数据结构的 STRef 来使其可变。 Data.Sequence 的常数因子可能比两栈队列差一点，但作为交换，您可以获得更大的高效操作集。

David Wagner 的答案中的可变列表可能效率较低，因为它需要队列中的每个项目两个堆对象。您可以通过编写在 GHC 中避免这种情况

Cell a {-# UNPACK #-} !(CellRef s a)

代替Cell a (CellRef s a)。不过，我不确定这会奏效。如果是这样，这可能比其他基于列表的方法要快一些。