Leetcode 28 - 技术栈

1 题目

225. 用队列实现栈

请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push、top、pop 和 empty）。

实现 MyStack 类：

void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
int pop() 移除并返回栈顶元素。
int top() 返回栈顶元素。
boolean empty() 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。

注意：

你只能使用队列的标准操作 ------ 也就是 push to back、peek/pop from front、size 和 is empty 这些操作。
你所使用的语言也许不支持队列。你可以使用 list （列表）或者 deque（双端队列）来模拟一个队列 , 只要是标准的队列操作即可。

示例：

复制代码

输入：
["MyStack", "push", "push", "top", "pop", "empty"]
[[], [1], [2], [], [], []]
输出：
[null, null, null, 2, 2, false]

解释：
MyStack myStack = new MyStack();
myStack.push(1);
myStack.push(2);
myStack.top(); // 返回 2
myStack.pop(); // 返回 2
myStack.empty(); // 返回 False

提示：

1 <= x <= 9
最多调用100 次 push、pop、top 和 empty
每次调用 pop 和 top 都保证栈不为空

**进阶：**你能否仅用一个队列来实现栈。

2 题解

方法一：两个队列

要使用两个队列实现栈的功能，我们可以按照以下方式组织逻辑，其中queue1用于存储栈内元素，queue2作为入栈操作的辅助队列：

入栈操作：
- 先将新元素入队到queue2
- 将queue1中所有元素依次出队并加入queue2
- 交换queue1和queue2的引用，使queue1始终存储栈内元素
- 此时queue1的队首元素就是新入栈的元素（栈顶）
出栈操作：
- 直接移除并返回queue1的队首元素（栈顶元素）
获取栈顶元素：
- 返回queue1的队首元素但不移除
判断栈是否为空：
- 检查queue1是否为空

这种实现方式确保了每次入栈后，queue1的队首元素都是栈顶元素，符合栈 "后进先出" 的特性。

cpp 复制代码

#define LEN 20
typedef struct queue {
    int *data;
    int head;
    int rear;
    int size;
} Queue;

typedef struct {
    Queue *queue1, *queue2;
} MyStack;

Queue *initQueue(int k) {
    Queue *obj = (Queue *)malloc(sizeof(Queue));
    obj->data = (int *)malloc(k * sizeof(int));
    obj->head = -1;
    obj->rear = -1;
    obj->size = k;
    return obj;
}

void enQueue(Queue *obj, int e) {
    if (obj->head == -1) {
        obj->head = 0;
    }
    obj->rear = (obj->rear + 1) % obj->size;
    obj->data[obj->rear] = e;
}

int deQueue(Queue *obj) {
    int a = obj->data[obj->head];
    if (obj->head == obj->rear) {
        obj->rear = -1;
        obj->head = -1;
        return a;
    }
    obj->head = (obj->head + 1) % obj->size;
    return a;
}

int isEmpty(Queue *obj) {
    return obj->head == -1;
}

MyStack *myStackCreate() {
    MyStack *obj = (MyStack *)malloc(sizeof(MyStack));
    obj->queue1 = initQueue(LEN);
    obj->queue2 = initQueue(LEN);
    return obj;
}

void myStackPush(MyStack *obj, int x) {
    if (isEmpty(obj->queue1)) {
        enQueue(obj->queue2, x);
    } else {
        enQueue(obj->queue1, x);
    }
}

int myStackPop(MyStack *obj) {
    if (isEmpty(obj->queue1)) {
        while (obj->queue2->head != obj->queue2->rear) {
            enQueue(obj->queue1, deQueue(obj->queue2));
        }
        return deQueue(obj->queue2);
    }
    while (obj->queue1->head != obj->queue1->rear) {
        enQueue(obj->queue2, deQueue(obj->queue1));
    }
    return deQueue(obj->queue1);
}

int myStackTop(MyStack *obj) {
    if (isEmpty(obj->queue1)) {
        return obj->queue2->data[obj->queue2->rear];
    }
    return obj->queue1->data[obj->queue1->rear];
}

bool myStackEmpty(MyStack *obj) {
    if (obj->queue1->head == -1 && obj->queue2->head == -1) {
        return true;
    }
    return false;
}

void myStackFree(MyStack *obj) {
    free(obj->queue1->data);
    obj->queue1->data = NULL;
    free(obj->queue1);
    obj->queue1 = NULL;
    free(obj->queue2->data);
    obj->queue2->data = NULL;
    free(obj->queue2);
    obj->queue2 = NULL;
    free(obj);
    obj = NULL;
}

复杂度分析

时间复杂度：

入栈操作（push）：O (n)，其中 n 是栈内的元素个数。入栈时，需先将新元素加入 queue2，再将 queue1 中所有 n 个元素依次出队并加入 queue2，最后交换两个队列。整个过程共执行 2n+1 次操作（n 次出队、n+1 次入队），每次出队和入队的时间复杂度均为 O (1)，因此整体时间复杂度为 O (n)。
出栈操作（pop）：O (1)。直接移除 queue1 的队首元素（栈顶元素），仅需一次出队操作。
获取栈顶元素（top）：O (1)。直接返回 queue1 的队首元素，无需修改队列内容。
判断栈是否为空（empty）：O (1)。只需检查 queue1 是否为空，无额外操作。

空间复杂度：O (n)，其中 n 是栈内的元素个数。两个队列（queue1 和 queue2）共同存储栈中的所有元素，因此空间复杂度由元素总数决定。

方法二：一个队列

方法一使用了两个队列实现栈的操作，也可以使用一个队列实现栈的操作。

使用一个队列时，为了满足栈的特性，即最后入栈的元素最先出栈，同样需要满足队列前端的元素是最后入栈的元素。

入栈操作时，首先获得入栈前的元素个数 n，然后将元素入队到队列，再将队列中的前 n 个元素（即除了新入栈的元素之外的全部元素）依次出队并入队到队列，此时队列的前端的元素即为新入栈的元素，且队列的前端和后端分别对应栈顶和栈底。

由于每次入栈操作都确保队列的前端元素为栈顶元素，因此出栈操作和获得栈顶元素操作都可以简单实现。

出栈操作只需要移除队列的前端元素并返回即可，获得栈顶元素操作只需要获得队列的前端元素并返回即可（不移除元素）。

由于队列用于存储栈内的元素，判断栈是否为空时，只需要判断队列是否为空即可。

cpp 复制代码

typedef struct tagListNode {
    struct tagListNode* next;
    int val;
} ListNode;

typedef struct {
    ListNode* top;
} MyStack;

MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* stk = calloc(1, sizeof(MyStack));
    return stk;
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
    ListNode* node = malloc(sizeof(ListNode));
    node->val = x;
    node->next = obj->top;
    obj->top = node;
}

int myStackPop(MyStack* obj) {
    ListNode* node = obj->top;
    int val = node->val;
    obj->top = node->next;
    free(node);

    return val;
}

int myStackTop(MyStack* obj) {
    return obj->top->val;
}

bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
    return (obj->top == NULL);
}

void myStackFree(MyStack* obj) {
    while (obj->top != NULL) {
        ListNode* node = obj->top;
        obj->top = obj->top->next;
        free(node);
    }
    free(obj);
}

3 详细解释

数据结构 05 栈和队列-CSDN博客https://blog.csdn.net/AYheyheyhey/article/details/153274912?spm=1001.2014.3001.5502