【数据结构与算法 经典例题】使用队列实现栈(图文详解)

目录

一、问题描述

二、前置知识

三、解题思路

四、C语言实现代码

🍃队列实现代码:

🍃基于队列实现栈的代码:

一、问题描述

原题摘自

225. 用队列实现栈 - 力扣(LeetCode)

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二、前置知识

关于栈的详细讲解请阅读这篇文章

【数据结构与算法】使用数组实现栈:原理、步骤与应用栈是一种后进先出(LIFO, Last In First Out)的数 - 掘金

关于队列的详细讲解请阅读这篇文章

【数据结构与算法】使用单链表实现队列:原理、步骤与应用队列(Queue)是一种特殊类型的线性数据结构,它遵循特定的操作顺 - 掘金

三、解题思路

使用两个队列(Queue)实现栈(Stack)的功能是一种常见的数据结构练习。栈是一种后进先出(LIFO)的数据结构,而队列则是先进先出(FIFO)的。解题的关键就在于如何通过巧妙地使用两个队列的先进先出,来可以模拟栈的后进先出行为。

以下是使用两个队列实现栈的基本步骤和原理:

栈的结构定义:包含两个队列的结构

  1. 初始化:初始化两个空队列,在任意时刻,我们只会使用其中一个队列来进行入栈和出栈操作,而另一个队列则保持为空。
  2. 入栈(Push)
    • 将元素添加到非空队列的末尾。
    • 如果两个队列都为空,则选择任意一个队列添加元素。
  3. 出栈(Pop)
    • 如果两个队列都为空,说明栈也为空,此时不能进行出栈操作。
    • 将非空队列中的元素(除了最后一个)逐个出队并入队到另一个队列中,直到只剩下最后一个元素。此时,该元素就是栈顶元素,我们将其出队并返回。
  4. 查看栈顶元素(Peek)
    • 如果两个队列都为空,说明栈也为空,此时不能查看栈顶元素。
    • 如果队列的实现允许查看队尾数据,会比较简单,直接返回非空队列的队尾数据即可
    • 如果队列实现只允许查看队首数据,那么也需要移动元素
    • 我们将非空队列的元素(除了最后一个)逐个出队并入队到另一个队列中,直到只剩下最后一个元素。此时,该元素就是栈顶元素,将其保存下来,入队到另一个队列中,并在本队列出队(这样做是为了保持只有一个非空队列)然后返回该元素。

这里画图解释队列元素的移动过程(注意:为方便理解对队列的结构进行了简化)

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四、C语言实现代码

🍃队列实现代码:

ini 复制代码
// 链式结构:表示队列 
typedef int QDataType;
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* next;
	QDataType data;
}QNode;

// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
	int size;
}Queue;
// 初始化队列 
void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);//接收的地址必须是有效的(队列必须存在)
	q->head = q->tail = NULL;
	q->size = 0;
}

// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)//判定是否申请成功
	{
		perror("newnode error\n");
		exit(1);
	}
	newnode->data = data;
	newnode->next = NULL;

	if (q->head == NULL)//对空队列入队的处理
	{
		q->head = q->tail = newnode;
	}
	else               //对非空队列入队的处理
	{
		q->tail->next = newnode;
		q->tail = newnode;
	}
	q->size++;
}

// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->head);//队列不能为空
	if (q->head == q->tail)//对只有一个元素的队列的出队处理
	{
		free(q->head);
		q->head = q->tail = NULL;
	}
	else          //对存在多个元素的队列的出队处理
	{
		QNode* next = q->head->next;
		free(q->head);
		q->head = next;
	}
	q->size--;
}

// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->head);//队列不能为空
	return q->head->data;
}

// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(q);
	assert(q->head);
	return q->tail->data;
}

// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size;
}

// 检测队列是否为空,如果为空返回非零结果,如果非空返回0 
int QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size == 0;
}

// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	while (q->head)//释放所有节点
	{
		QNode* next = q->head->next;
		free(q->head);
		q->head = next;
	}
	q->head = q->tail = NULL;
	q->size = 0;
}

🍃基于队列实现栈的代码:

scss 复制代码
typedef struct 
{
    Queue q1;
    Queue q2;   
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* stack = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&(stack->q1));//调用队列的初始化函数
    QueueInit(&(stack->q2));
    return stack;
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    assert(obj);
    if (QueueEmpty(&(obj->q1)))//将数据插入到非空队列
    {
	    QueuePush(&(obj->q2), x);
    }
    else
	    QueuePush(&(obj->q1), x);
}

int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    assert(obj);
    assert(obj->q1.size || obj->q2.size);//必须存在一个非空队列才能出栈
Queue* empty = &(obj->q1);//假设q1是空队列
Queue* nempty = &(obj->q2);
if (!QueueEmpty(&(obj->q1)))//进行判断并调整
{
	empty = &(obj->q2);
	nempty = &(obj->q1);
}
while (nempty->size > 1)//移动元素至最后一个
{
	QueuePush(empty, QueueFront(nempty));
	QueuePop(nempty);
}
int top = QueueFront(nempty);//返回最后的元素
QueuePop(nempty);
return top;
}

int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    assert(obj);
    assert(obj->q1.size || obj->q2.size);//必须存在一个非空队列才能获取元素
//如果队列的实现允许查看队尾数据,会比较简单
/*if (QueueEmpty(&(obj->q1)))
	return QueueBack(&(obj->q2));
else
	return QueueBack(&(obj->q1));*/

//如果队列的实现不允许查看队尾数据,依然需要移动元素
Queue* empty = &(obj->q1);//假设q1是空队列
Queue* nempty = &(obj->q2);
if (!QueueEmpty(&(obj->q1)))//进行判断并调整
{
	empty = &(obj->q2);
	nempty = &(obj->q1);
}
while (nempty->size > 1)//移动元素至最后一个
{
	QueuePush(empty, QueueFront(nempty));
	QueuePop(nempty);
}
int top = QueueFront(nempty);//返回最后的元素
QueuePush(empty, QueueFront(nempty));
	QueuePop(nempty);
return top;
}

bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
    	return obj->q1.size == 0 && obj->q2.size == 0;
}

void myStackFree(MyStack* obj) {
    QueueDestroy(&(obj->q1));
QueueDestroy(&(obj->q2));
free(obj);//动态申请的空间不要忘记释放
}

最后附上通过代码截图

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