【C++代码】用栈实现队列，用队列实现栈--代码随想录

• 队列是先进先出，栈是先进后出。卡哥给了关于C++方向关于栈和队列的4个问题：

  • C++中stack 是容器么？

  • 使用的stack是属于哪个版本的STL？

  • 使用的STL中stack是如何实现的？

  • stack 提供迭代器来遍历stack空间么？

• 首先大家要知道 栈和队列是STL（C++标准库）里面的两个数据结构。C++标准库是有多个版本的，要知道我们使用的STL是哪个版本，才能知道对应的栈和队列的实现原理。接下来介绍的栈和队列也是SGI STL里面的数据结构， 知道了使用版本，才知道对应的底层实现。来说一说栈，栈先进后出，如图所示：

  • 

  • 栈提供push 和 pop 等等接口，所有元素必须符合先进后出规则，所以栈不提供走访功能，也不提供迭代器(iterator)。 不像是set 或者map 提供迭代器iterator来遍历所有元素。

• 栈是以底层容器完成其所有的工作，对外提供统一的接口，底层容器是可插拔的（也就是说我们可以控制使用哪种容器来实现栈的功能）。所以STL中栈往往不被归类为容器，而被归类为container adapter（容器适配器）。从下图中可以看出，栈的内部结构，栈的底层实现可以是vector，deque，list 都是可以的， 主要就是数组和链表的底层实现。

  • 

  • 我们常用的SGI STL，如果没有指定底层实现的话，默认是以deque为缺省情况下栈的底层结构。deque是一个双向队列，只要封住一段，只开通另一端就可以实现栈的逻辑了。SGI STL中 队列底层实现缺省情况下一样使用deque实现的。栈的特性，对应的队列的情况是一样的。可以指定vector为栈的底层实现，初始化语句如下：

  • std::stack<int, std::vector<int> > third;  // 使用vector为底层容器的栈
    

• 队列中先进先出的数据结构，同样不允许有遍历行为，不提供迭代器, SGI STL中队列一样是以deque为缺省情况下的底部结构。也可以指定list 为起底层实现，初始化queue的语句如下：

  • std::queue<int, std::list<int>> third; // 定义以list为底层容器的队列
    

  • 所以STL 队列也不被归类为容器，而被归类为container adapter（ 容器适配器）。

题目：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

• 只能 使用标准的栈操作 —— 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size, 和 is empty 操作是合法的。你所使用的语言也许不支持栈。你可以使用 list 或者 deque（双端队列）来模拟一个栈，只要是标准的栈操作即可。

题解

• 将一个栈当作输入栈，用于压入 push 传入的数据；另一个栈当作输出栈，用于 pop 和 peek 操作。每次 pop 或 peek 时，若输出栈为空则将输入栈的全部数据依次弹出并压入输出栈，这样输出栈从栈顶往栈底的顺序就是队列从队首往队尾的顺序。

• class MyQueue {
  private:
      stack<int> inStack,outStack;
      void in2out(){
          while(!inStack.empty()){
              outStack.push(inStack.top());
              inStack.pop();
          }
      }
  public:
      MyQueue() {
      }
      void push(int x) {
          inStack.push(x);
      }
      int pop() {
          if(outStack.empty()){
              in2out();
          }
          int res = outStack.top();
          outStack.pop();
          return res;
      }
      int peek() {
          if(outStack.empty()){
              in2out();
          }
          return outStack.top();
      } 
      bool empty() {
          return inStack.empty() && outStack.empty();
      }
  };
  /**
   * Your MyQueue object will be instantiated and called as such:
   * MyQueue* obj = new MyQueue();
   * obj->push(x);
   * int param_2 = obj->pop();
   * int param_3 = obj->peek();
   * bool param_4 = obj->empty();
   */
  

题目：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 。

• 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。

题解

• 题目涉及到栈和队列两种数据结构。栈是一种后进先出的数据结构，元素从顶端入栈，然后从顶端出栈。队列是一种先进先出的数据结构，元素从后端入队，然后从前端出队。

• 为了满足栈的特性，即最后入栈的元素最先出栈，在使用队列实现栈时，应满足队列前端的元素是最后入栈的元素。可以使用两个队列实现栈的操作，其中 queue1 用于存储栈内的元素，queue2 作为入栈操作的辅助队列。

• 入栈操作时，首先将元素入队到 queue2 ，然后将 queue1 的全部元素依次出队并入队到 queue2 ，此时 queue2 的前端的元素即为新入栈的元素，再将 queue1 和 queue2 互换，则 queue1 的元素即为栈内的元素，queue1 的前端和后端分别对应栈顶和栈底。

• 由于每次入栈操作都确保 queue1 的前端元素为栈顶元素，因此出栈操作和获得栈顶元素操作都可以简单实现。出栈操作只需要移除 queue1 的前端元素并返回即可，获得栈顶元素操作只需要获得 queue1 的前端元素并返回即可（不移除元素）。由于 queue1 用于存储栈内的元素，判断栈是否为空时，只需要判断 queue1 是否为空即可。

• class MyStack {
  private:
      queue<int> queue1;
      queue<int> queue2;
  public:
      MyStack() {
      }
      void push(int x) {
          queue2.push(x);
          while(!queue1.empty()){
              //C++ 函数 std::queue::front() 返回对队列第一个元素的引用。 对队列执行 pop 操作后，该元素将被删除。
              queue2.push(queue1.front());
              queue1.pop();
          }
          swap(queue1,queue2);
      }
      int pop() {
          int pop_val = queue1.front();
          queue1.pop();
          return pop_val;
      }
      int top() {
          return queue1.front();
      }
      
      bool empty() {
          return queue1.empty();
      }
  };
  /**
   * Your MyStack object will be instantiated and called as such:
   * MyStack* obj = new MyStack();
   * obj->push(x);
   * int param_2 = obj->pop();
   * int param_3 = obj->top();
   * bool param_4 = obj->empty();
   */
  

• 时间复杂度：入栈操作 O(n)，其余操作都是 O(1)，其中 n 是栈内的元素个数。 入栈操作需要将 queue1 中的 n 个元素出队，并入队 n+1 个元素到 queue2，共有 2n+1 次操作，每次出队和入队操作的时间复杂度都是 O(1)，因此入栈操作的时间复杂度是 O(n)。 出栈操作对应将 queue1 的前端元素出队，时间复杂度是 O(1)。 获得栈顶元素操作对应获得 queue1 的前端元素，时间复杂度是 O(1)。 判断栈是否为空操作只需要判断 queue1 是否为空，时间复杂度是 O(1)。

• 空间复杂度：O(n)，其中 n 是栈内的元素个数。需要使用两个队列存储栈内的元素。

• 其实这道题目就是用一个队列就够了。一个队列在模拟栈弹出元素的时候只要将队列头部的元素（除了最后一个元素外） 重新添加到队列尾部，此时再去弹出元素就是栈的顺序了。

• class MyStack {
  private:
      // queue queue1;
      // queue queue2;
      queue<int> one_queue;
  public:
      MyStack() {
      }
      // void push(int x) {
      //     queue2.push(x);
      //     wile(!queue1.empty()){
      //         //C++ 函数 std::queue::front() 返回对队列第一个元素的引用。 对队列执行 pop 操作后，该元素将被删除。
      //         queue2.push(queue1.front());
      //         queue1.pop();
      //     }
      //     swap(queue1,queue2);
      // }
      void push(int x){
          int queue_size = one_queue.size();
          one_queue.push(x);
          for(int i=0;i<queue_size;i++){
              one_queue.push(one_queue.front());
              one_queue.pop();
          }
      }
      // int pop() {
      //     int pop_val = queue1.front();
      //     queue1.pop();
      //     return pop_val;
      // }
      int pop(){
          int top_val = one_queue.front();
          one_queue.pop();
          return top_val;
      }
      // int top() {
      //     return queue1.front();
      // }
      int top(){
          return one_queue.front();
      }
      // bool empty() {
      //     return queue1.empty();
      // }
      bool empty(){
          return one_queue.empty();
      }
  };
  
  

• Queue 队列是一种设计用于在 FIFO（先进先出）上下文中操作的数据结构。 队列中的元素从 rear 端插入并从 front 端移除。Queue 队列类是容器适配器。 容器是保存相同类型数据的对象。 队列可以从不同的序列容器创建。 容器适配器不支持迭代器，因此我们不能将它们用于数据操作。 但是它们分别支持 push() 和 pop() 成员函数用于数据插入和删除。

• 下面是来自 头文件的 std::queue 的定义

  • template <class T, class Container = deque<T> > class queue;
    

  • T − 包含的元素的类型。T 可以替换为任何其他数据类型，包括用户定义的类型。Container − 基础容器对象的类型。

• 中的函数

• 方法	说明
  queue::queue	构造一个具有零个元素的空队列对象。
  queue::~queue	通过释放容器内存来销毁队列。
  queue::back	返回对队列最后一个元素的引用。
  queue::front	返回对队列第一个元素的引用。
  queue::emplace	在队列末尾构造并插入新元素。
  queue::empty	测试队列是否为空。
  queue::pop	删除队列的前面元素。
  queue::push	在队列末尾插入新元素。
  queue::operator=	通过替换旧内容将新内容分配给队列。
  queue::size	返回队列中存在的元素总数。
  queue::swap	将队列的内容与另一个队列的内容交换。

• 堆栈是一种设计用于在 LIFO（后进先出）上下文中运行的数据结构。 在堆栈中，元素被插入以及仅从一端移除。Stack 类是容器适配器。 容器是保存相同类型数据的对象。 可以从不同的序列容器创建堆栈。如果未提供容器，则使用默认的 deque 容器。 容器适配器不支持迭代器，因此我们不能将它们用于数据操作。但是它们分别支持 push() 和 pop() 成员函数用于数据插入和删除。下面是来自 头文件的 std::stack 定义

  • template <class T, class Container = deque<T> > class stack;
    

• 中的成员函数

  • 方法	说明
    stack::emplace	在栈顶构造并插入新元素。
    stack::empty	测试堆栈是否为空。
    stack::operator=	通过替换旧内容将新内容分配给堆栈。
    stack::pop	从堆栈中移除顶部元素。
    stack::push	在栈顶插入新元素。
    stack::size	返回堆栈中存在的元素总数。
    stack::swap	将堆栈的内容与另一个堆栈的内容交换。
    stack::top	返回对栈顶元素的引用。