2023/7/21--代码随想录算法训练营day10|第五章 栈与队列 part01 理论基础、232.用栈实现队列、225.用队列实现栈

理论基础

• 了解栈和队列的内部实现机制
• 队列：先进先出、栈：先进后出
  
  
• Python中stack 是容器么？ 不是，四大容器list、dict、set、tuple元组
• 我们使用的stack是属于哪个版本的STL？ SGI STL
• • 我们使用的STL中stack是如何实现的？ push，pop接口
• stack 提供迭代器来遍历stack空间么？ 不提供

【栈】：先进后出的数据结构。栈提供push和pop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。(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）。
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。

【队列】：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。
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）。

232. 用栈实现队列

【状态】：完全没想出来，看着答案写的，不对不说，需要注意对pop操作的代码，以及peek对pop代码的抽象运用。
【题目】：
【思路】：用栈【先进后出】模拟队列【先进先出】的行为，需要两个栈，一个输入栈，一个输出栈，注意输出栈和输入栈的关系。
** 分析**：

• push 进输入栈
• peek和pop，输出栈为空，要把输入栈的所有元素都导入到输出栈，再从输出栈弹出数据；输出栈不为空，直接从输出栈弹出数据就行。
• 队列为空，输出栈和输出栈都为空
  时间复杂度：push和empty O(1) ，pop和peek O(n)
  空间复杂度：O(n)

 class MyQueue:
    def __init__(self)    #in主要负责push，out主要负责pop
        self.stack_in = []
        self.stack_out = []

    def push(self, x: int) -> None:  #有新元素进来，就往in里面push
        self.stack_in.append(x)
        
    def pop(self) -> int:#Removes the element from in front of queue and returns that element.
        if self.empty():
            return None
        
        if self.stack_out:  #输出栈有，就直接弹出输出栈的元素就行
            return self.stack_out.pop()
        else:
            for i in range(len(self.stack_in)):#否则，输入栈弹出，进到输入栈
                self.stack_out.append(self.stack_in.pop())
            return self.stack_out.pop()

    def peek(self) -> int:  #掌握代码的抽象复用，peek()目的得到栈顶的元素
        ans = self.pop()
        self.stack_out.append(ans)
        return ans

    def empty(self) -> bool: #只要in或者out有元素，说明队列不为空
        return not (self.stack_in or self.stack_out)

225. 用队列实现栈

• 建议大家掌握一个队列的方法，更简单一些
  【状态】：完全不会，直接看着答案的，注意这里popleft,另外在peek，直接用的que[-1]
  【题目】：
  【思路】：如果考虑之前的在用两个栈，实现队列的方法。现在考虑两个队列，一个输出队列，一个输出队列，实现栈。因为队列，不改变进入进入顺序，所以这样的想法不行。
  队列模拟栈，其实一个队列就够了。一个队列作用，一个队列备份保存信息。
  用两个队列que1和que2实现队列的功能，que2其实完全就是一个备份的作用,把que1最后面的元素以外的元素都备份到que2，然后弹出最后面的元素，再把其他元素从que2导回que1。
  时间复杂度：push为O(n),其他O(1)
  空间复杂度：O(n)

优化：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。
时间复杂度：push为O(n),其他O(1)
空间复杂度：O(n)
【一个队列实现栈】

class MyStack:
    def __init__(self):
        self.que = deque()
    def push(self, x: int) -> None:
        self.que.append(x)

    def pop(self) -> int:
        if self.empty():
            return None
        for i in range(len(self.que)-1):
            self.que.append(self.que.popleft())
        return self.que.popleft()

    def top(self) -> int:
        if self.empty():
            return None
        return self.que[-1]

    def empty(self) -> bool:
        return not self.que

【两个队列实现栈】

from collections import deque

class MyStack:

    def __init__(self):
        """
        Python普通的Queue或SimpleQueue没有类似于peek的功能
        也无法用索引访问，在实现top的时候较为困难。

        用list可以，但是在使用pop(0)的时候时间复杂度为O(n)
        因此这里使用双向队列，我们保证只执行popleft()和append()，因为deque可以用索引访问，可以实现和peek相似的功能

        in - 存所有数据
        out - 仅在pop的时候会用到
        """
        self.queue_in = deque()
        self.queue_out = deque()

    def push(self, x: int) -> None:
        """
        直接append即可
        """
        self.queue_in.append(x)


    def pop(self) -> int:
        """
        1. 首先确认不空
        2. 因为队列的特殊性，FIFO，所以我们只有在pop()的时候才会使用queue_out
        3. 先把queue_in中的所有元素（除了最后一个），依次出列放进queue_out
        4. 交换in和out，此时out里只有一个元素
        5. 把out中的pop出来，即是原队列的最后一个
        
        tip：这不能像栈实现队列一样，因为另一个queue也是FIFO，如果执行pop()它不能像
        stack一样从另一个pop()，所以干脆in只用来存数据，pop()的时候两个进行交换
        """
        if self.empty():
            return None

        for i in range(len(self.queue_in) - 1):
            self.queue_out.append(self.queue_in.popleft())
        
        self.queue_in, self.queue_out = self.queue_out, self.queue_in    # 交换in和out，这也是为啥in只用来存
        return self.queue_out.popleft()

    def top(self) -> int:
        """
        1. 首先确认不空
        2. 我们仅有in会存放数据，所以返回第一个即可
        """
        if self.empty():
            return None
        
        return self.queue_in[-1]


    def empty(self) -> bool:
        """
        因为只有in存了数据，只要判断in是不是有数即可
        """
        return len(self.queue_in) == 0