【Hot 100 刷题计划】 LeetCode 155. 最小栈 | C++ 打包状态法 (最优雅的 O(1) 检索)

LeetCode 155. 最小栈

📌 题目描述

题目级别:中等

设计一个支持 pushpoptop 操作,并能在常数时间内检索到最小元素的栈。

实现 MinStack 类:

  • MinStack() 初始化堆栈对象。
  • void push(int val) 将元素 val 推入堆栈。
  • void pop() 删除堆栈顶部的元素。
  • int top() 获取堆栈顶部的元素。
  • int getMin() 获取堆栈中的最小元素。

💡 破题思路:状态打包法 (Pair)

题目要求在 O(1)O(1)O(1) 的时间内获取栈中的最小元素。

由于栈的特性是后进先出(LIFO) ,这意味着:在任何一个元素被压入栈的瞬间,从栈底到它这个位置的"最小元素"其实就已经确定了,且只要它不出栈,这个最小值永远不会变!

常见的解法是维护两个平行的栈(一个存数据,一个存最小值)。但更优雅、更极客的解法是:将数据和它入栈那一刻的最小值"打包"在一起!

在 C++ 中,我们可以使用 std::pair 完美实现这一点。

定义 stack<pair<int, int>> st;

  • pair.first 存储真实的元素值 val
  • pair.second 存储该元素入栈时的历史最小值 min_val

推导过程:

每次 push 时,我们将当前值与原栈顶的 min_val 比较,取较小者,和当前值一起打包压入栈中。

每次 pop 时,直接连同值和附带的最小值一起弹出,完美恢复上一个状态。不需要任何复杂的同步逻辑!


💻 C++ 代码实现 (极简 Pair 法)

cpp 复制代码
class MinStack {
public:
    // pair 的 first 存实际值,second 存截止到当前的最小值
    stack<pair<int, int>> st;
    
    MinStack() {
        
    }
    
    void push(int val) {
        // 如果栈为空,当前值就是最小值
        if (st.empty()) {
            st.push({val, val});
        } 
        else {
            // 如果栈不为空,将当前值与栈顶记录的最小值进行比较
            st.push({val, min(val, st.top().second)});
        }
    }
    
    void pop() {
        // 弹出数据的同时,也弹出了它对应的最小值状态,自然恢复到上一个状态
        st.pop();
    }
    
    int top() {
        return st.top().first;
    }
    
    int getMin() {
        return st.top().second;
    }
};

/**
 * Your MinStack object will be instantiated and called as such:
 * MinStack* obj = new MinStack();
 * obj->push(val);
 * obj->pop();
 * int param_3 = obj->top();
 * int param_4 = obj->getMin();
 */
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