⭐算法入门⭐《栈 和 队列》简单02 —— LeetCode 225. 用队列实现栈

一、题目

1、题目描述

  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：只能使用队列的基本操作 —— 也就是 push to back、peek/pop from front、size 和 is empty 这些操作。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。
  样例输入： ["MyStack", "push", "push", "top", "pop", "empty"] [[], [1], [2], [], [], []]
  样例输出： [null, null, null, 2, 2, false]

2、基础框架

• C语言版本 给出的基础框架代码如下：

typedef struct {

} MyStack;

/** Initialize your data structure here. */

MyStack* myStackCreate() {

}

/** Push element x onto stack. */
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {

}

/** Removes the element on top of the stack and returns that element. */
int myStackPop(MyStack* obj) {

}

/** Get the top element. */
int myStackTop(MyStack* obj) {

}

/** Returns whether the stack is empty. */
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {

}

void myStackFree(MyStack* obj) {

}

/**
 * Your MyStack struct will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = myStackCreate();
 * myStackPush(obj, x);
 
 * int param_2 = myStackPop(obj);
 
 * int param_3 = myStackTop(obj);
 
 * bool param_4 = myStackEmpty(obj);
 
 * myStackFree(obj);
*/

3、原题链接

$(1)$ LeetCode 225. 用队列实现栈

二、解题报告

1、思路分析

  准备两个队列来模拟一个栈：主队列 和 从队列。每次 入队 或者 出队 操作执行完毕以后，从队列 一定是空的。

入队操作

• 将元素 入队 到 从队列，然后将 主队列 的元素一个一个 出队 后 入队 到 从队列。再将 主从队列 交换（交换过程需要做到 $O(1)$）。

出队操作

• 操作执行完毕以后，从队列 一定是空的，所以出队一定是从 主队列 出。

---

• 这里的 主从队列 可以定义为一个两个队列元素的数组，这样交换队列只需要交换下标即可。

2、时间复杂度

• 每次入队操作都需要动用队列中的所有元素，如果有 $n$ 个入队操作，时间复杂度为 $O(n^2)$。

3、代码详解

/**************************** 顺序表 实现队列 ****************************/
#define DataType int
#define maxn 100005

struct Queue {
    DataType data[maxn];
    int head, tail;
};

void QueueClear(struct Queue* que) {
    que->head = que->tail = 0;
}
void QueueEnqueue(struct Queue *que, DataType dt) {
    que->data[ que->tail++ ] = dt;
}
void QueueDequeue(struct Queue* que) {
    ++que->head;
}

DataType QueueGetFront(struct Queue* que) {
    return que->data[ que->head ];
}
int QueueGetSize(struct Queue* que) {
    return que->tail - que->head;
}
int QueueIsEmpty(struct Queue* que) {
    return !QueueGetSize(que);
}

/**************************** 顺序表 实现队列 ****************************/
typedef struct {
    struct Queue q[2];
    int idx;
} MyStack;

/** Initialize your data structure here. */
MyStack* myStackCreate() {
    MyStack *stk = (MyStack *) malloc ( sizeof(MyStack) );
    QueueClear( &stk->q[0] );
    QueueClear( &stk->q[1] );
    stk->idx = 0;
    return stk;
}

/** Push element x onto stack. */
void myStackPush(MyStack* obj, int x) {
    struct Queue *masterQ = &obj->q[obj->idx];            // (1) 
    struct Queue *slaverQ = &obj->q[obj->idx^1];          // (2) 
    QueueEnqueue( slaverQ, x );                           // (3) 
    while( !QueueIsEmpty(masterQ) ) {                     // (4) 
        QueueEnqueue( slaverQ, QueueGetFront(masterQ) );
        QueueDequeue( masterQ );
    }
    obj->idx ^= 1;                                        // (5) 

}

/** Removes the element on top of the stack and returns that element. */
int myStackPop(MyStack* obj) {
    struct Queue *masterQ = &obj->q[obj->idx];            // (6) 
    int pop = QueueGetFront(masterQ);                     // (7) 
    QueueDequeue(masterQ);
    return pop;
}

/** Get the top element. */
int myStackTop(MyStack* obj) {
    struct Queue *masterQ = &obj->q[obj->idx];
    return QueueGetFront(masterQ);
}

/** Returns whether the stack is empty. */
bool myStackEmpty(MyStack* obj) {
    struct Queue *masterQ = &obj->q[obj->idx];
    return QueueIsEmpty(masterQ);
}

void myStackFree(MyStack* obj) {
    free(obj);
}

/**
 * Your MyStack struct will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = myStackCreate();
 * myStackPush(obj, x);
 
 * int param_2 = myStackPop(obj);
 
 * int param_3 = myStackTop(obj);
 
 * bool param_4 = myStackEmpty(obj);
 
 * myStackFree(obj);
*/

• $(1)$ 主队列 指针；
• $(2)$ 从队列 指针；
• $(3)$ 首先将元素插入到 从队列 中；
• $(4)$ 然后将 主队列 的元素 一个个取出来放入 从队列；
• $(5)$ 主从队列 下标交换；
• $(6)$ 主队列 必然有元素；
• $(7)$ 主队列 的 队首，就是我们要模拟的栈顶；

---

三、本题小知识

   滚动队列，其实就是两个队列的指针进行交换，所以滚动过程是 $O(1)$ 的。

---

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