⭐算法入门⭐《栈 和 队列》简单01 —— LeetCode 232. 用栈实现队列

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一、题目

1、题目描述

  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
说明：
  只能使用标准的栈操作。实现每个操作均摊时间复杂度为 $O(1)$ 的队列？换句话说，执行 $n$ 个操作的总时间复杂度为 $O(n)$，即使其中一个操作可能花费较长时间。
  样例输入： ["MyQueue", "push", "push", "peek", "pop", "empty"] [[], [1], [2], [], [], []]
  样例输出： [null, null, null, 1, 1, false]

2、基础框架

• C语言版本 给出的基础框架代码如下：

typedef struct {
} MyQueue;

/** Initialize your data structure here. */
MyQueue* myQueueCreate() {
}

/** Push element x to the back of queue. */
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
}

/** Removes the element from in front of queue and returns that element. */
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
}

/** Get the front element. */
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
}

/** Returns whether the queue is empty. */
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
}

/**
 * Your MyQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyQueue* obj = myQueueCreate();
 * myQueuePush(obj, x);
 
 * int param_2 = myQueuePop(obj);
 
 * int param_3 = myQueuePeek(obj);
 
 * bool param_4 = myQueueEmpty(obj);
 
 * myQueueFree(obj);
*/

3、原题链接

$(1)$ LeetCode 232. 用栈实现队列
$(2)$ 剑指 Offer 09. 用两个栈实现队列
$(3)$ 面试题 03.04. 化栈为队

二、解题报告

1、思路分析

• 考虑用两个栈，一个用来 push；一个用来 pop；
• 当 push 操作的时候，只需要无脑 入栈 即可；
• 当 pop 操作时，先要判断栈中是否有元素，如果没有，则一次性将 push 栈中的元素都 pop 出来，并且 入栈到 pop 栈中，再执行 pop 操作；
  
• 有关 栈 的实现，可以参见以下文章：《画解数据结构》栈。

2、时间复杂度

• 任何一个元素只会在每个栈中入栈和出栈各一次，总的时间复杂度为 $O(n)$。均摊下来每次的操作就是 $O(1)$ 的。

3、代码详解

/************************************* 栈的顺序表实现 *************************************/
#define DataType int
#define maxn 100010

struct Stack {
    DataType data[maxn];
    int top;
};

void StackClear(struct Stack* stk) {
    stk->top = 0;
}
void StackPushStack(struct Stack *stk, DataType dt) {
    stk->data[ stk->top++ ] = dt;
}
void StackPopStack(struct Stack* stk) {
    --stk->top;
}

DataType StackGetTop(struct Stack* stk) {
    return stk->data[ stk->top - 1 ];
}
int StackGetSize(struct Stack* stk) {
    return stk->top;
}
bool StackIsEmpty(struct Stack* stk) {
    return !StackGetSize(stk);
}
/************************************* 栈的顺序表实现 *************************************/

typedef struct {
    struct Stack push;                             // (1)
    struct Stack pop;                              // (2)
} MyQueue;

/** (3) */
MyQueue* myQueueCreate() {
    MyQueue *q = (MyQueue *)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackClear(& (q->push) );
    StackClear(& (q->pop) );
    return q;
}

/** (4) */
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    StackPushStack( & obj->push, x );
}

/** (5) */
void myQueueCheckPop(MyQueue* obj) {
    int val;
    if( StackIsEmpty( & obj->pop ) ) {
        while( !StackIsEmpty(& obj->push ) ) {
            val = StackGetTop( &obj->push );
            StackPushStack( &obj->pop, val ); 
            StackPopStack( &obj->push );       
        }
    }
}

/** (6) */
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    int ret;
    myQueueCheckPop(obj);
    ret = StackGetTop( & obj->pop );
    StackPopStack( &obj->pop );
    return ret;
}

/** (7) */
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    int ret;
    myQueueCheckPop(obj);
    ret = StackGetTop( & obj->pop );
    return ret;
}

/** (8) */
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    return StackIsEmpty( &obj->push ) && StackIsEmpty( &obj->pop );
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    free(obj);
}

/**
 * Your MyQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyQueue* obj = myQueueCreate();
 * myQueuePush(obj, x);
 
 * int param_2 = myQueuePop(obj);
 
 * int param_3 = myQueuePeek(obj);
 
 * bool param_4 = myQueueEmpty(obj);
 
 * myQueueFree(obj);
*/

• $(1)$ 入队操作时 入栈 到 push栈 中；
• $(2)$ 出队操作时 从 pop栈 进行 弹栈；
• $(3)$ myQueueCreate：申请内存，对两个栈进行初始化；
• $(4)$ myQueuePush：将元素 入栈 到 push栈 中；
• $(5)$ myQueueCheckPop：将 push栈 中的数据 弹栈，再入栈 到 pop栈 中；
• $(6)$ myQueuePop：先执行myQueueCheckPop，再从 pop栈 进行 弹栈；
• $(7)$ myQueuePeek：先执行myQueueCheckPop，再从 pop栈 取 栈顶元素 返回；
• $(8)$ 两个栈均为空才认为这个队列为空；

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三、本题小知识

   我们在考虑问题的时候，往往可以将一个问题和另一个问题联系起来，将另一个子问题抽成一个子函数，这样就可以屏蔽子函数的实现细节。

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