栈和队列高频面试题
题目一：括号匹配问题
给定一个只包括 ‘(’，’)’，’{’，’}’，’[’，’]’ 的字符串 s ，判断字符串是否有效。
有效字符串需满足：
1.左括号必须用相同类型的右括号闭合。
2.左括号必须以正确的顺序闭合。
要求：
时间复杂度：O(n)
思路：
该题是栈的典型应用，满足后进先出的规则（后入栈的前括号将优先与先出现的后括号相匹配）。
遍历字符串，遇到前括号直接入栈。遇到后括号，判断该后括号与栈顶的前括号是否匹配（若此时栈为空，则字符串无效），若不匹配则字符串无效；若匹配则删除栈顶元素，继续遍历字符串，直到字符串遍历完毕。当字符串遍历完后，检测栈是否为空，若为空，则字符串有效，若不为空，说明有前括号未匹配，字符串无效。
代码：
typedef char STDataType;//栈中存储的元素类型
typedef struct Stack
{
STDataType* a;//栈
int top;//栈顶
int capacity;//容量，方便增容
}Stack;
//初始化栈
void StackInit(Stack* pst)
{
assert(pst);
pst->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType)* 4);//初始化栈可存储4个元素
pst->top = 0;//初始时栈中无元素，栈顶为0
pst->capacity = 4;//容量为4
}
//销毁栈
void StackDestroy(Stack* pst)
{
assert(pst);
free(pst->a);//释放栈
pst->a = NULL;//及时置空
pst->top = 0;//栈顶置0
pst->capacity = 0;//容量置0
}
//入栈
void StackPush(Stack* pst, STDataType x)
{
assert(pst);
if (pst->top == pst->capacity)//栈已满，需扩容
{
STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType)*pst->capacity * 2);
if (tmp == NULL)
{
printf("realloc fail\n");
exit(-1);
}
pst->a = tmp;
pst->capacity *= 2;//栈容量扩大为原来的两倍
}
pst->a[pst->top] = x;//栈顶位置存放元素x
pst->top++;//栈顶上移
}
//检测栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* pst)
{
assert(pst);
return pst->top == 0;
}
//出栈
void StackPop(Stack* pst)
{
assert(pst);
assert(!StackEmpty(pst));//检测栈是否为空
pst->top--;//栈顶下移
}
//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* pst)
{
assert(pst);
assert(!StackEmpty(pst));//检测栈是否为空
return pst->a[pst->top - 1];//返回栈顶元素
}
//获取栈中有效元素个数
int StackSize(Stack* pst)
{
assert(pst);
return pst->top;//top的值便是栈中有效元素的个数
}
/*---以上代码是栈的基本功能实现，以下代码是题解主体部分---*/
bool isValid(char * s){
Stack st;//创建一个栈
StackInit(&st);//初始化栈
char* cur = s;//cur用于遍历字符串
while(*cur)
{
if(*cur == '('||*cur == '{'||*cur == '[')//前括号统一入栈
{
StackPush(&st, *cur);
cur++;
}
else
{
if(StackEmpty(&st))//若遇到后括号，且栈为空，则字符串无效
{
StackDestroy(&st);
return false;
}
char top = StackTop(&st);//获取栈顶元素
if((top == '('&&*cur != ')')
||(top == '{'&&*cur != '}')
||(top == '['&&*cur != ']'))//后括号与栈顶的前括号不匹配
{
StackDestroy(&st);
return false;
}
else//匹配
{
StackPop(&st);
cur++;
}
}
}
bool ret = StackEmpty(&st);//检测栈是否为空
StackDestroy(&st);
return ret;//栈为空返回true，栈不为空返回false
}
题目二：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，并支持普通队列的全部四种操作（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 。
思路：
队列的机制是先入先出，而栈的机制是先入后出，我们仅用一个队列是不可能实现栈的。
使用两个队列，始终保持一个队列为空。当我们需要进行压栈操作时，将数据压入不为空的队列中（若两个都为空，则随便压入一个队列）。当需要进行出栈操作时，将不为空的队列中的数据导入空队列，仅留下一个数据，这时将这个数据返回并且删除即可。判断栈是否为空，即判断两个队列是否同时为空。
代码：
typedef int QDataType;//队列中存储的元素类型
typedef struct QListNode
{
struct QListNode* next;//指针域
QDataType data;//数据域
}QListNode;
typedef struct Queue
{
QListNode* head;//队头
QListNode* tail;//队尾
}Queue;
//初始化队列
void QueueInit(Queue* pq)
{
assert(pq);
//起始时队列为空
pq->head = NULL;
pq->tail = NULL;
}
//销毁队列
void QueueDestroy(Queue* pq)
{
assert(pq);
QListNode* cur = pq->head;//接收队头
//遍历链表，逐个释放结点
while (cur)
{
QListNode* next = cur->next;
free(cur);
cur = next;
}
pq->head = NULL;//队头置空
pq->tail = NULL;//队尾置空
}
//队尾入队列
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{
assert(pq);
QListNode* newnode = (QListNode*)malloc(sizeof(QListNode));//申请新结点
if (newnode == NULL)
{
printf("malloc fail\n");
exit(-1);
}
newnode->data = x;//新结点赋值
newnode->next = NULL;//新结点指针域置空
if (pq->head == NULL)//队列中原本无结点
{
pq->head = pq->tail = newnode;//队头、队尾直接指向新结点
}
else//队列中原本有结点
{
pq->tail->next = newnode;//最后一个结点指向新结点
pq->tail = newnode;//改变队尾指针指向
}
}
//检测队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
assert(pq);
return pq->head == NULL;
}
//队头出队列
void QueuePop(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));//检测队列是否为空
if (pq->head->next == NULL)//队列中只有一个结点
{
free(pq->head);
pq->head = NULL;
pq->tail = NULL;
}
else//队列中有多个结点
{
QListNode* next = pq->head->next;
free(pq->head);
pq->head = next;//改变队头指针指向
}
}
//获取队列头部元素
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));//检测队列是否为空
return pq->head->data;//返回队头指针指向的数据
}
//获取队列尾部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
assert(pq);
assert(!QueueEmpty(pq));//检测队列是否为空
return pq->tail->data;//返回队尾指针指向的数据
}
//获取队列中有效元素个数
int QueueSize(Queue* pq)
{
assert(pq);
QListNode* cur = pq->head;//接收队头
int count = 0;//记录结点个数
while (cur)//遍历队列
{
count++;
cur = cur->next;
}
return count;//返回队列中的结点数
}
/*---以上代码是队列的基本功能实现，以下代码是题解主体部分---*/
typedef struct {
Queue q1;//第一个队列
Queue q2;//第二个队列
} MyStack;
/** Initialize your data structure here. */
MyStack* myStackCreate() {
MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));//申请一个MyStack类型的栈
QueueInit(&pst->q1);//初始化第一个队列
QueueInit(&pst->q2);//初始化第二个队列
return pst;
}
/** Push element x onto stack. */
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
//数据压入非空的那个队列
if (!QueueEmpty(&obj->q1))
{
QueuePush(&obj->q1, x);
}
else
{
QueuePush(&obj->q2, x);
}
}
/** Removes the element on top of the stack and returns that element. */
int myStackPop(MyStack* obj) {
Queue* pEmpty = &obj->q1;//记录空队列
Queue* pNoEmpty = &obj->q2;//记录非空队列
if (!QueueEmpty(&obj->q1))
{
pEmpty = &obj->q2;
pNoEmpty = &obj->q1;
}
while (QueueSize(pNoEmpty) > 1)
{
QueuePush(pEmpty, QueueFront(pNoEmpty));
QueuePop(pNoEmpty);
}//将非空队列中的数据放入空队列中，只留下一个数据
int front = QueueFront(pNoEmpty);//获取目标数据
QueuePop(pNoEmpty);//删除目标数据
return front;
}
/** Get the top element. */
int myStackTop(MyStack* obj) {
//获取非空队列的队尾数据
if (!QueueEmpty(&obj->q1))
{
return QueueBack(&obj->q1);
}
else
{
return QueueBack(&obj->q2);
}
}
/** Returns whether the stack is empty. */
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
//两个队列均为空，则MyStack为空
return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}
void myStackFree(MyStack* obj) {
QueueDestroy(&obj->q1);//释放第一个队列
QueueDestroy(&obj->q2);//释放第二个队列
free(obj);//释放MyStack
}
题目三：用栈实现队列
请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push、pop、peek、empty）。
实现 MyQueue 类：
void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾。
int pop() 从队列的开头移除并返回元素。
int peek() 返回队列开头的元素。
boolean empty() 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false。
思路：
使用两个栈，第一个栈只用于数据的输入，第二个栈只用于数据的输出。当需要输出数据，但第二个栈为空时，先将第一个栈中的数据一个一个导入到第二个栈，然后第二个栈再输出数据即可。
这样就能够模拟实现一个队列了，即先输入的数据先输出。
代码：
typedef int STDataType;//栈中存储的元素类型
typedef struct Stack
{
STDataType* a;//栈
int top;//栈顶
int capacity;//容量，方便增容
}Stack;
//初始化栈
void StackInit(Stack* pst)
{
assert(pst);
pst->a = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType)* 4);//初始化栈可存储4个元素
pst->top = 0;//初始时栈中无元素，栈顶为0
pst->capacity = 4;//容量为4
}
//销毁栈
void StackDestroy(Stack* pst)
{
assert(pst);
free(pst->a);//释放栈
pst->a = NULL;//及时置空
pst->top = 0;//栈顶置0
pst->capacity = 0;//容量置0
}
//入栈
void StackPush(Stack* pst, STDataType x)
{
assert(pst);
if (pst->top == pst->capacity)//栈已满，需扩容
{
STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(pst->a, sizeof(STDataType)*pst->capacity * 2);
if (tmp == NULL)
{
printf("realloc fail\n");
exit(-1);
}
pst->a = tmp;
pst->capacity *= 2;//栈容量扩大为原来的两倍
}
pst->a[pst->top] = x;//栈顶位置存放元素x
pst->top++;//栈顶上移
}
//检测栈是否为空
bool StackEmpty(Stack* pst)
{
assert(pst);
return pst->top == 0;
}
//出栈
void StackPop(Stack* pst)
{
assert(pst);
assert(!StackEmpty(pst));//检测栈是否为空
pst->top--;//栈顶下移
}
//获取栈顶元素
STDataType StackTop(Stack* pst)
{
assert(pst);
assert(!StackEmpty(pst));//检测栈是否为空
return pst->a[pst->top - 1];//返回栈顶元素
}
//获取栈中有效元素个数
int StackSize(Stack* pst)
{
assert(pst);
return pst->top;//top的值便是栈中有效元素的个数
}
/*---以上代码是栈的基本功能实现，以下代码是题解主体部分---*/
typedef struct {
Stack pushST;//插入数据时用的栈
Stack popST;//删除数据时用的栈
} MyQueue;
/** Initialize your data structure here. */
MyQueue* myQueueCreate() {
MyQueue* obj = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));//申请一个队列类型
StackInit(&obj->pushST);//初始化pushST
StackInit(&obj->popST);//初始化popST
return obj;
}
/** Push element x to the back of queue. */
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
StackPush(&obj->pushST, x);//插入数据，向pushST插入
}
/** Get the front element. */
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
if(StackEmpty(&obj->popST))//popST为空时，需先将pushST中数据导入popST
{
while(!StackEmpty(&obj->pushST))//将pushST数据全部导入popST
{
StackPush(&obj->popST, StackTop(&obj->pushST));
StackPop(&obj->pushST);
}
}
return StackTop(&obj->popST);//返回popST栈顶的元素
}
/** Removes the element from in front of queue and returns that element. */
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
int top = myQueuePeek(obj);
StackPop(&obj->popST);//删除数据，删除popST中栈顶的元素
return top;
}
/** Returns whether the queue is empty. */
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
return StackEmpty(&obj->pushST)&&StackEmpty(&obj->popST);//两个栈均为空，则“队列”为空
}
void myQueueFree(MyQueue* obj) {
//先释放两个栈，再释放队列的结构体类型
StackDestroy(&obj->pushST);
StackDestroy(&obj->popST);
free(obj);
}
题目四：设计循环队列
设计你的循环队列实现。 循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
实现 MyCircularQueue 类：
MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
isFull(): 检查循环队列是否已满。
思路：
在环形队列中，队列为空时，队头队尾指向同一个位置。当队列不为空时，队头指向插入的第一个数据，队尾指向最后一个数据的下一个位置。当tail+1等于front时，说明环形队列已满。
注意：环形队列的队尾不能像常规队列中队尾一样指向最后一个数据，如果这样的话，我们将不能区别环形队列的状态是空还是满，因为此时队头和队尾都指向同一个位置。这就意味着，我们必须留出一个空间，这个空间不能存放数据，这样我们才能很好的区别环形队列的状态是空还是满。
我们如果用一个数组来实现这个环形队列的话，上面这三种状态就对应于以下三种状态：
可以看出，此时这个数组和环形完全扯不上关系，这其实很简单，我们只需注意判断两个地方：
1.当指针指向整个数组的后方的时候，让该指针重新指向数组的第一个元素。
2.当指针指向整个数组的前方的时候，让该指针直接指向数组最后一个有效元素的后面。
这样就使得该数组在逻辑上是“环形”的了。
代码：
typedef struct {
int* a;//数组模拟环形队列
int k;//队列可存储的有效数据总数
int front;//队头
int tail;//队尾的后一个位置
} MyCircularQueue;
MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) {
MyCircularQueue* obj = (MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));//申请一个环形队列
obj->a = (int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));//开辟队列空间
//初始时，队头和队尾均为0
obj->front = 0;
obj->tail = 0;
obj->k = k;//设置队列可存储的有效数据个数
return obj;
}
bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) {
return obj->front == obj->tail;//当front和tail指向同一位置时，队列为空
}
bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) {
int tailNext = obj->tail+1;
if(tailNext == obj->k+1)//当指针指到队列末尾时，指针返回队列开头，使队列循环
{
tailNext = 0;
}
return tailNext == obj->front;//当tail+1指向的位置与front相同时，队列满
}
bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) {
if(myCircularQueueIsFull(obj))//队列已满，不能再插入数据
{
return false;
}
else//插入数据
{
obj->a[obj->tail] = value;
obj->tail++;
if(obj->tail == obj->k+1)//使队列循环
obj->tail = 0;
return true;
}
}
bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) {
if(myCircularQueueIsEmpty(obj))//当队列为空时，无法再删除数据
{
return false;
}
else//删除数据
{
obj->front++;
if(obj->front == obj->k+1)//使队列循环
obj->front = 0;
return true;
}
}
int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) {
if(myCircularQueueIsEmpty(obj))//当队列为空时，无数据可返回
{
return -1;
}
else
{
return obj->a[obj->front];//返回队头指向的数据
}
}
int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) {
if(myCircularQueueIsEmpty(obj))//当队列为空时，无数据返回
{
return -1;
}
else//返回tail-1指向位置的数据
{
int tailPrev = obj->tail-1;
if(tailPrev == -1)//使队列循环
tailPrev = obj->k;
return obj->a[tailPrev];
}
}
void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) {
free(obj->a);//先释放动态开辟的数组
free(obj);//再释放动态开辟的结构体
}