LeetCode解题记录之队列最大值
题目:
请定义一个队列并实现函数 max_value 得到队列里的最大值，要求函数max_value、push_back 和 pop_front 的均摊时间复杂度都是O(1)。
若队列为空，pop_front 和 max_value 需要返回 -1
public class MaxQueue{
public MaxQueue(){
}
public int max_value() {
//do something
}
public void push_back(int value) {
//do something
}
public int pop_front() {
//do something
}
}以上是LeetCode给出的题目，理解一下就是说让我们自己完成一个队列类的构建。需要实现push_back方法将value插入队列的尾部，pop_front方法将队列头取出，max_value将队列中的最大值返回，但不将值移除队列。
其中有一个时间复杂度的要求，要让每一个方法的均摊时间复杂度变为O(1)。这个是本题的唯一难点，其它的问题都是小意思啦。
为了搞定这个题目我使用了双List模式：
public class MaxQueue{
private List queue;//保存实际队列数据
private List max;//保存队列中的最大值
public MaxQueue(){
queue = new LinkedList<>();
max = new LinkedList<>();
}
//...省略部分代码
} 很多小伙伴可能会问为什么要用list来保存最大值，直接用int不就好了吗？
可是事情不简单呐，比如我将{5，4，3，2，1}依次加入队列中，那么此时调用max_value方法，应该返回多少呢？
小伙伴：此时应该返回 5 ！
没毛病，的确是返回5。但是如果我调用一次pop_front，然后在调用一次max_value方法，这个时候应该返回多少呢？
小伙伴：原队列{5，4，3，2，1}，出掉队列头就剩下{4，3，2，1}，此时的最大值应该是4！
没错啦，如果此时你只是用int类型来存储最大值，那么在出队列的时候，就会导致max_value失真呀。
小伙伴：那么list怎么样保证最大值不会失真呢？
秘诀就在push_back方法中：
public class MaxQueue{
//...省略部分代码
public void push_back(int value) {
queue.add(value);
while(max.size() > 0 && max.get(max.size()-1) < value){
max.remove(max.size()-1);
}
max.add(value);
}
//...省略部分代码
}小伙伴：what？一个注释都没有，写的这是啥意思？
莫着急，我举几个例子来说一下原理。比如：
{5,4}这个队列中的最大值是多少？
小伙伴：5！
那通过pop_front方法取出队列头之后呢？
小伙伴：4！我知道了通过双list的方法，对max集合进行排序就可以了，然后我们就实时知道最大值了！
是这样没错，但是题目要求了时间复杂度为O(1)，任何一种排序算法的时间复杂度都不是O(1)能够完成的
小伙伴：不通过排序算法的话，我们怎么确定哪个值是最大值吗？
当然可以，我们在每一个队列入队的时候进行一次比较就可以了
比如：queue={5} 此时max={5}，因为队列中只有一个值，所以这个值肯定是最大值
随后继续添加数据入队，queue={5,4} ，此时我们将max中的已有的值a与新入队的值b做比较。
如果a > b,那么max={a,b}，如果a < b，那么max={b}，移除a。
根据这条公式，我们将queue中的值代入，得到max={5,4}。
小伙伴：你这样的算法好像只能适用与队列的值为两个的情况，如果队列的值多了呢？
比如：queue={5,4,3,6,1}，按照这个顺序依次入队、出队。你应该怎么处理？
OK，我们先按刚刚的规则走一遍，看看问题出在哪。
1）queue=｛5｝max = ｛5｝
2）queue=｛5，4｝max=｛5，4｝
3）queue=｛5，4，3｝max=｛5，4，3｝
4）queue=｛5，4，3，6｝max=｛6｝
5）...
小伙伴：你等会儿！！！怎么到了第四步max突然就变成6了呢？而且还移除了其它值？
hhh，这就是队列的规则啦。你想想queue的入队规则是什么？
小伙伴：每一个新加入的值都添加到队尾
那么出队规则呢？
小伙伴：每一个出队的值，都是当前队列的队头，也就是最先加入队列的值
没错，就是根据这个规则，在queue={5,4,3,6}的时候，无论5、4、3有没有出栈，当前队列的最大值都是6。
所以排在6前面且比6小的数，都可以直接忽略了，因为不存在先让6出队，而5、4、3还留在队内的情况。
小伙伴：那就是说，每添加一个新的数A入队，就需要将A与max集合中已有的所有值相比较？
是这么个意思，的确需要进行比较，但不是和所有的值比较。
比如说，queue={5，4，10，6，1，2，3，4}，假设队列按照这样的顺序，那么max中应该怎么存放最大值呢？
小伙伴：额，如果max中存放10 的话，当10出队之后，剩下的数字6最大。如果存放6的话，当6出队之后4最大...这有什么规律吗？
没错，存在一条规律。当queue={5，4，10，6，1，2，3，4}，标红的数字，就是max中要依次存放的值。
小伙伴：额，规律是什么？
存放步骤讲解：
1) queue={5} max={5} 因为5是唯一的数
2) queue={5,4} max={5,4} 因为在5出栈之后，4就是最大的数（唯一的数）
3) queue={5,4,10} max={10} 因为10比max中其它值都大，而且它还是最后一位
4) queue={5,4,10,6} max={10,6} 10 还是max中最大的值，但它排在6前面，意思就是说，当10出队之后，6就是最大的了
5) queue={5,4,10,6,1} max={10,6,1} 原因和上面一样，10和6依次出队，1就是最大值了
6) queue={5,4,10,6,1,2} max={10,6,2} 这里的2入队后，1不再是队列的最后一位，当10、6出队后，最大的数是2哦
7) queue={5,4,10,6,1,2,3} max={10,6,3} 和上面一样，3取代了2的位置，成为了队中最后的大数。
8) queue={5,4,10,6,1,2,3,4} max={10,6,4} 到这里4又取代了3
小伙伴：所以一个新数A入队的时候都要和max中最后一个值B做比较？如果B > A，则将A添加至max的队尾，如果B < A，就将B移除，然后再添加A。
没错。。。就是这么个意思，这样就能够保证队列max的队头，永远是queue中的最大值。
//完整代码
public class MaxQueue{
private List queue;
private List max;
public MaxQueue(){
queue = new LinkedList<>();
max = new LinkedList<>();
}
public int max_value() {
return max.size() > 0 ? max.get(0) : -1;
}
public void push_back(int value) {
queue.add(value);
while(max.size() > 0 && max.get(max.size()-1) < value){
max.remove(max.size()-1);
}
max.add(value);
}
public int pop_front() {
int tmp = -1;
if(queue.size() > 0){
tmp = queue.get(0);
queue.remove(0);
if(tmp == max.get(0)){
max.remove(0);
}
}
return tmp;
}
}