栈和队列oj题——225. 用队列实现栈

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题目要求：

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：

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

进阶：你能否仅用一个队列来实现栈。

myStackCreate - 创建栈

解题核心

这个问题的核心思路在于使用两个队列（Queue）来模拟一个栈（Stack）的行为。栈是一种后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构，而队列是一种先进先出（FIFO, First In First Out）的数据结构。要用队列模拟栈的行为，关键在于如何实现栈的两个主要操作：入栈（push）和出栈（pop）。

数据结构的定义

初始化两个队列，这两个队列将用于模拟栈的行为。

// 定义一个使用两个队列模拟的栈的结构体
typedef struct
{
    Queue q1; // 第一个队列
    Queue q2; // 第二个队列
} MyStack;

初始化栈

动态分配内存给新的栈,如果内存分配失败，输出错误信息并退出。

// 创建一个新的栈
MyStack* myStackCreate() 
{
    // 动态分配内存给新栈
    MyStack* newStack =(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    if (!newStack)
    {
        perror("malloc fail"); // 如果内存分配失败，输出错误信息并退出
        exit(-1);
    }

    // 初始化两个队列
    QInit(&(newStack->q1));
    QInit(&(newStack->q2));
    return newStack;  
}

入栈（Push）操作

在栈中，最新添加的元素总是被存储在栈的顶部。在使用两个队列模拟栈时，入栈操作相对直接：
选择一个非空队列进行操作：如果两个队列都是空的，可以选择任意一个队列进行操作。如果有一个非空队列，总是将新元素入队到这个非空队列。

// 将一个元素推入栈中
void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 总是将元素推入非空队列中
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        QPush(&obj->q1, x);
    }
    else
    {
        QPush(&obj->q2, x);
    }
}

出栈（Pop）操作

确定非空队列和空队列：首先识别出哪个队列是非空的（存有栈元素的队列），哪个队列是空的。

// 从栈中弹出一个元素
int myStackPop(MyStack* obj) 
{ 
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    Queue* empty = &obj->q1; // 一个指向可能为空的队列的指针
    Queue* noEmpty = &obj->q2; // 一个指向非空队列的指针
    // 确定哪个队列是空的，哪个是非空的
    if(!QueueEmpty(empty))
    {
        empty = &obj->q2;
        noEmpty = &obj->q1;
    }
    // 将元素从非空队列转移到空队列，直到只剩下一个元素
    while(QueueSize(noEmpty) > 1)
    {
        QPush(empty, QueueFront(noEmpty));
        QPop(noEmpty);
    }
    // 弹出并返回最后一个元素
    int top = QueueFront(noEmpty);
    QPop(noEmpty);
    return top;
}

获取栈顶元素（Top）：

栈顶元素对应于最后进入非空队列的元素。可以通过查看非空队列的尾部元素来得知栈顶元素。

// 获取栈顶元素
int myStackTop(MyStack* obj)
{
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 返回非空队列的尾部元素（栈顶元素）
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }
    else
    {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
}

检查栈是否为空（Empty）：

如果两个队列都为空，那么栈为空。

// 检查栈是否为空
bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{  
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 如果两个队列都为空，栈为空
    return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}

销毁栈（Free）：

释放栈所使用的资源，包括两个队列和栈本身的内存。

// 释放栈所占用的资源
void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 销毁两个队列
    QDestroy(&obj->q1);
    QDestroy(&obj->q2);
    // 释放栈对象所占用的内存
    free(obj);
}

以下是队列的实现:

typedef int QDataType; // 定义队列数据类型为int

// 队列节点的结构体定义
typedef struct QueueNode
{
  QDataType val; // 节点存储的数据
  struct QueueNode* next; // 指向下一个节点的指针
} QNode;

// 队列的结构体定义
typedef struct Queue
{
  QNode* phead; // 指向队列头部的指针
  QNode* ptail; // 指向队列尾部的指针
  int size; // 队列的大小
} Queue;

// 函数声明
void QInit(Queue* pq); // 初始化队列
void QDestroy(Queue* pq); // 销毁队列

void QPush(Queue* pq, QDataType x); // 向队列中添加元素
void QPop(Queue* pq); // 从队列中移除元素

QDataType QueueFront(Queue* pq); // 获取队列头部元素
QDataType QueueBack(Queue* pq); // 获取队列尾部元素

bool QueueEmpty(Queue* pq); // 检查队列是否为空
int QueueSize(Queue* pq); // 获取队列的大小

// 初始化队列
void QInit(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  pq->phead = pq->ptail = NULL; // 将头指针和尾指针都设为NULL
  pq->size = 0; // 将队列大小设置为0
}

// 销毁队列
void QDestroy(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  QNode* cur = pq->phead;
  while (cur)
  {
    QNode* next = cur->next; // 保存下一个节点
    free(cur); // 释放当前节点
    cur = next; // 移动到下一个节点
  }
  pq->phead = NULL; // 将头指针设为NULL
  pq->ptail = NULL; // 将尾指针设为NULL
  pq->size = 0; // 将队列大小设置为0
}

// 向队列中添加元素
void QPush(Queue* pq, QDataType x)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode)); // 分配新节点内存
  if (newNode == NULL)
  {
    perror("malloc fail"); // 内存分配失败处理
    exit(-1);
  }

  newNode->val = x; // 设置新节点的值
  newNode->next = NULL; // 新节点的下一个节点为NULL
  if (pq->ptail == NULL) // 如果队列为空
  {
    pq->phead = pq->ptail = newNode; // 队列头尾都指向新节点
  }
  else
  {
    pq->ptail->next = newNode; // 将新节点接到队列尾部
    pq->ptail = newNode; // 更新尾指针
  }
  pq->size++; // 队列大小增加
}

// 从队列中移除元素
void QPop(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  assert(pq->phead); // 断言队列不为空
  QNode* Del = pq->phead; // 保存要删除的节点
  pq->phead = pq->phead->next; // 更新头指针
  free(Del); // 释放节点内存
  if (pq->phead == NULL) // 如果队列变空
  {
    pq->ptail = NULL; // 更新尾指针
  }
  pq->size--; // 队列大小减少
}

// 获取队列头部元素的值
QDataType QueueFront(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  assert(pq->phead); // 断言队列不为空
  return pq->phead->val; // 返回头部元素的值
}

// 获取队列尾部元素的值
QDataType QueueBack(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  assert(pq->ptail); // 断言队列不为空
  return pq->ptail->val; // 返回尾部元素的值
}

// 检查队列是否为空
bool QueueEmpty(Queue* pq)
{
  assert(pq); // 断言队列指针非空
  return pq->phead == NULL; // 如果头指针为NULL，则队列为空
}

// 获取队列的大小
int QueueSize(Queue* pq)
{
  return pq->size; // 返回队列的大小
}

以下是本题的实现:

// 定义一个使用两个队列模拟的栈的结构体
typedef struct
{
    Queue q1; // 第一个队列
    Queue q2; // 第二个队列
} MyStack;

// 创建一个新的栈
MyStack* myStackCreate() 
{
    // 动态分配内存给新栈
    MyStack* newStack =(MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    if (!newStack)
    {
        perror("malloc fail"); // 如果内存分配失败，输出错误信息并退出
        exit(-1);
    }

    // 初始化两个队列
    QInit(&(newStack->q1));
    QInit(&(newStack->q2));
    return newStack;  
}

// 将一个元素推入栈中
void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 总是将元素推入非空队列中
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        QPush(&obj->q1, x);
    }
    else
    {
        QPush(&obj->q2, x);
    }
}

// 从栈中弹出一个元素
int myStackPop(MyStack* obj) 
{ 
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    Queue* empty = &obj->q1; // 一个指向可能为空的队列的指针
    Queue* noEmpty = &obj->q2; // 一个指向非空队列的指针
    // 确定哪个队列是空的，哪个是非空的
    if(!QueueEmpty(empty))
    {
        empty = &obj->q2;
        noEmpty = &obj->q1;
    }
    // 将元素从非空队列转移到空队列，直到只剩下一个元素
    while(QueueSize(noEmpty) > 1)
    {
        QPush(empty, QueueFront(noEmpty));
        QPop(noEmpty);
    }
    // 弹出并返回最后一个元素
    int top = QueueFront(noEmpty);
    QPop(noEmpty);
    return top;
}

// 获取栈顶元素
int myStackTop(MyStack* obj)
{
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 返回非空队列的尾部元素（栈顶元素）
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }
    else
    {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
}

// 检查栈是否为空
bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{  
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 如果两个队列都为空，栈为空
    return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}

// 释放栈所占用的资源
void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    assert(obj); // 确保栈对象非空
    // 销毁两个队列
    QDestroy(&obj->q1);
    QDestroy(&obj->q2);
    // 释放栈对象所占用的内存
    free(obj);
}