【C语言刷题】用队列实现栈和用栈实现队列
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文章目录
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- Leetcode225——用队列实现栈
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- 题目描述
- 思路分析与代码实现（C语言）
- Leetcode232——用栈实现队列
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- 题目描述
- 思路分析与代码实现（C语言）
- 队列结构声明与队列创建
- 元素入队列
- 元素出队列
- 队列判空
- 获取队头元素
- 释放队列
Leetcode225——用队列实现栈
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 。
链接：https://leetcode.cn/problems/implement-stack-using-queues
注意：
你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。
你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。
示例：
输入：[“MyStack”, “push”, “push”, “top”, “pop”, “empty”]
[[ ], [1], [2], [ ], [ ], [ ]]
输出：[null, null, null, 2, 2, false]
解释：MyStack myStack = new MyStack();
myStack.push(1);
myStack.push(2);
myStack.top(); // 返回 2
myStack.pop(); // 返回 2
myStack.empty(); // 返回 False
提示：
- 1 <= x <= 9
- 最多调用100 次 push、pop、top 和 empty
- 每次调用 pop 和 top 都保证栈不为空
核心代码模式
typedef struct
{
} MyStack;
MyStack* myStackCreate()
{
}
void myStackPush(MyStack* obj, int x)
{
}
int myStackPop(MyStack* obj)
{
}
int myStackTop(MyStack* obj)
{
}
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);
*/
思路分析与代码实现（C语言）
要用两个队列实现栈，题目没有提供队列，而C语言库中没有数据结构，所以我们得先手搓队列结构和操作函数。
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
struct QueueNode* next;
QDataType data;
}QNode;
typedef struct Queue
{
QNode* front;
QNode* rear;
size_t size;
}Que;
void QueueInit(Que* pQ);
void QueueDestory(Que* pQ);
void QueuePush(Que* pQ, QDataType tar);
void QueuePop(Que* pQ);
QDataType QueueFront(Que* pQ);
QDataType QueueRear(Que* pQ);
bool QueueEmpty(Que* pQ);
int QueueSize(Que* pQ);
void QueueInit(Que* pQ)
{
assert(pQ);
pQ->front = pQ->rear = NULL;
pQ->size = 0;
}
void QueuePush(Que* pQ, QDataType tar)
{
assert(pQ);
QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
if (newNode == NULL)
{
perror("malloc fail");
exit(-1);
}
else
{ //不为空就初始化结点
newNode->data = tar;
newNode->next = NULL;
}
if (pQ->rear == NULL)
{
pQ->front = pQ->rear = newNode;
}
else
{
pQ->rear->next = newNode;
pQ->rear = newNode;
}
pQ->size++;
}
bool QueueEmpty(Que* pQ)
{
assert(pQ);
return pQ->front == NULL && pQ->rear == NULL;
}
void QueuePop(Que* pQ)
{
assert(pQ);
assert(!QueueEmpty(pQ));
if (pQ->front->next == NULL)
{
free(pQ->front);
pQ->front = pQ->rear = NULL;
}
else
{
QNode* del = pQ->front;
pQ->front = pQ->front->next;
free(del);
}
pQ->size--;
}
QDataType QueueFront(Que* pQ)
{
assert(pQ);
assert(!QueueEmpty(pQ));
return pQ->front->data;
}
QDataType QueueRear(Que* pQ)
{
assert(pQ);
assert(!QueueEmpty(pQ));
return pQ->rear->data;
}
int QueueSize(Que* pQ)
{
assert(pQ);
return pQ->size;
}
void QueueDestory(Que* pQ)
{
assert(pQ);
QNode* cur = pQ->front;
while (cur)
{
QNode* del = cur;
cur = cur->next;
free(del);
}
pQ->front = pQ->rear = NULL;
}
栈结构声明
既然是要用两个队列实现栈，那不妨把两个队列放到栈结构体中。下面那个是创建栈的函数，直接用malloc在堆区创建，初始化栈结构，返回指针即可。
typedef struct
{
Que q1;
Que q2;
} MyStack;
MyStack* myStackCreate()
{
MyStack* obj = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
QueueInit(&obj->q1);
QueueInit(&obj->q2);
return obj;
}
如何实现元素入栈呢？
如果是第一次放入元素，那两个队列都是空的，这时候把元素放哪个队列都行。如果已经有放入过元素了，那就看哪个队列不是空的就放入哪个队列中去，为什么这样做呢？是为了配合元素出栈的实现方式，后面讲的时候你就能明白了。直接复用我们前面实现了的队列操作函数来操作队列即可。
void myStackPush(MyStack* obj, int x)
{
if(!QueueEmpty(&obj->q1))
{
QueuePush(&obj->q1, x);
}
else
{
QueuePush(&obj->q2, x);
}
}
如何实现元素出栈呢？
先把装了元素的队列的队尾之前的所有元素移动到另一个队列，再让之前的队尾元素出队列。由于队列先进先出的特性，将元素从一个队列导入到另一队列中去，元素间相对顺序不变。我们要用队列实现栈，也就是将先进先出的特性转换为后进先出的特性，队列后进入的元素（比如下图的4）在队列中自然不能直接出队列，队尾可不能出元素，而队头的话还得把1、2、3先出完才能轮到4，于是乎我们这里的方法就是让后进入的元素直接一跃到队头，那前面不是有好几个的元素嘛，不可能会说没就没的呀，不是还有一个队列嘛，那我们就先把不出去的元素全部放到另一个队列去呗。
先进先出是因为先进入的直接到了队头，那要实现后进先出，可以让先进入的“靠边站”，把队头位置让给后进入的，这样后进入的也可以先出。
所以每次要出栈的时候，就把前面元素先导入到另一个队列中去，然后再把剩下那个元素出队列即可，所以会始终保持一个队列为空。
我们不区分q1和q2，只区分区分空和非空。由于题目保证了每次调用 pop 和 top 都保证栈不为空，所以我们这里不考虑栈为空的情况。要注意这个函数有返回值，返回的是pop出来的值。
int myStackPop(MyStack* obj)
{
Que* empty = &obj->q1;
Que* nonEmpty = &obj->q2;
if(!QueueEmpty(&obj->q1))
{
empty = &obj->q2;
nonEmpty = &obj->q1;
}
while(nonEmpty->size > 1)
{
QueuePush(empty, QueueFront(nonEmpty));
QueuePop(nonEmpty);
}
int ret = QueueFront(nonEmpty);
QueuePop(nonEmpty);
return ret;
}
判断栈是否为空
由于这个栈是由两个队列组合而成的，所以判断栈是否为空，只需判断两个队列是否都为空即可。
bool myStackEmpty(MyStack* obj)
{
return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}
获取栈顶元素
鉴于我们这种思路，两个队列总会保持一种状态：一个队列为空，另一个不为空。这时候，不为空的队列的队尾元素就是栈的栈顶元素。
int myStackTop(MyStack* obj)
{
if(!QueueEmpty(&obj->q1))
return QueueRear(&obj->q1);
else
return QueueRear(&obj->q2);
}
释放栈结构
你肯定记得释放栈，但是你记不记得我们这儿的队列使用单链表实现的？要先释放掉两个队列的单链表，再释放掉整个栈结构。
void myStackFree(MyStack* obj)
{
QueueDestory(&obj->q1);
QueueDestory(&obj->q2);
free(obj);
}
Leetcode232——用栈实现队列
题目描述
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
链接：https://leetcode.cn/problems/implement-queue-using-stacks
说明：
你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。
**示例 **：
输入：
[“MyQueue”, “push”, “push”, “peek”, “pop”, “empty”]
[[ ], [1], [2], [ ], [ ], [ ]]
输出：
[null, null, null, 1, 1, false]
解释：
MyQueue myQueue = new MyQueue();
myQueue.push(1); // queue is: [1]
myQueue.push(2); // queue is: [1, 2] (leftmost is front of the queue)
myQueue.peek(); // return 1
myQueue.pop(); // return 1, queue is [2]
myQueue.empty(); // return false
提示：
- 1 <= x <= 9
- 最多调用 100 次 push、pop、peek 和 empty
- 假设所有操作都是有效的 （例如，一个空的队列不会调用 pop 或者 peek 操作）
核心代码模式
typedef struct {
} MyQueue;
MyQueue* myQueueCreate() {
}
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
}
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
}
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
}
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);
*/
思路分析与代码实现（C语言）
由于C语言库里没有数据结构，我们这里得先手搓栈的结构和操作函数。
typedef int STDataType;
typedef struct stack
{
STDataType* arr;
int top;
size_t capacity;
}ST;
void StackInit(ST* pS);
void StackDestory(ST* pS);
void StackPush(ST* pS, STDataType tar);
bool StackEmpty(ST* pS);
void StackPop(ST* pS);
STDataType StackTop(ST* pS);
int StackSize(ST* pS);
void StackInit(ST* pS)
{
assert(pS);
pS->arr = NULL;
pS->top = pS->capacity = 0;
}
void StackPush(ST* pS, STDataType tar)
{
assert(pS);
//检查是否满容以及扩容
if (pS->top == pS->capacity)
{
int newCapacity = (pS->capacity == 0) ? 4 : pS->capacity * 2;
ST* tmp = (STDataType*)realloc(pS->arr, newCapacity * sizeof(STDataType));
if (tmp == NULL)
{
perror("realloc fail");
exit(-1);
}
pS->capacity = newCapacity;
pS->arr = tmp;
}
//元素入栈
pS->arr[pS->top] = tar;
pS->top++;
}
void StackDestory(ST* pS)
{
assert(pS);
free(pS->arr);
pS->arr = NULL;
pS->top = pS->capacity = 0;
}
bool StackEmpty(ST* pS)
{
assert(pS);
return pS->top == 0;
}
void StackPop(ST* pS)
{
assert(pS);
assert(!StackEmpty(pS));
--pS->top;
}
STDataType StackTop(ST* pS)
{
assert(pS);
assert(!StackEmpty(pS));
return pS->arr[pS->top - 1];
}
int StackSize(ST* pS)
{
assert(pS);
return pS->top;
}
那么如何用两个栈来实现队列呢？我们一点一点来看吧。
比如说在st1已经入栈了四个元素，这时候要出队列，根据先进先出，就是要把1出栈，可以1在st1最下面啊，怎么搞呢？让它变成栈顶元素就能出栈了吧，那可不可以把这四个元素依次导入到st2中，这样的话1就变成了st2的栈顶元素，这时候就可以出栈了。
那还需要再把2、3、4再导回到st1中去吗？其实不需要了，你看啊，出队列是不是就在st2实现了，而入队列是不是就在st1实现了，那可不可以假象着把它们两个栈拼接在一起，组成一个模拟队列呢？
栈pushST用来入元素，栈popST用来出元素，等到出空了，再去pushST把数据导入进来。
队列结构声明与队列创建
由于是要用两个栈实现，我们就放入两个栈结构，一个pushST，一个popST。创建好队列后，复用栈的初始化函数，初始化两个栈。
typedef struct {
ST pushST;
ST popST;
} MyQueue;
MyQueue* myQueueCreate() {
MyQueue* obj =(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
StackInit(&obj->pushST);
StackInit(&obj->popST);
return obj;
}
元素入队列
结合前面所讲的，pushST栈就是用来入元素的，也没有什么限制，直接复用入栈操作函数即可。
void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
StackPush(&obj->pushST);
}
元素出队列
出队列前要先看看popST是不是空的，如果不是空，就可以直接把popST的元素出栈，如果是空的，那就要先把pushST的元素全部导入popST中再出栈。我们不妨把导入元素的操作封装成一个函数PushSTtoPopST( )。
void PushSTtoPopST(MyQueue* obj)
{
if(StackEmpty(&obj->popST))
{
while(!StackEmpty(&obj->pushST))
{
StackPush(&obj->popST, StackTop(&obj->pushST));
StackPop(&obj->pushST);
}
}
}
int myQueuePop(MyQueue* obj) {
PushSTtoPopST(obj);
int ret = StackTop(&obj->popST);
StackPop(&obj->popST);
return ret;
}
队列判空
其实元素出队列和获取队头元素都需要先判断队列是否为空，只不过这道题保证了空队列不会调用pop和peek函数。而判空其实很简单，只要两个栈都为空，那队列不就为空了吗。稍微注意一下，函数返回值是bool类型，如果队列为空就返回真，如果队列不为空就返回假。
bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
return StackEmpty(&obj->popST) && StackEmpty(&obj->pushST);
}
获取队头元素
要先把pushST的元素全部导入到popST中再取队头元素。
int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
PushSTtoPopST(obj);
return StackTop(&obj->popST);
}
释放队列
要先把两个栈给释放掉，再释放掉整个队列结构。
void myQueueFree(MyQueue* obj) {
StackDestory(&obj->pushST);
StackDestory(&obj->popST);
free(obj);
}
