力扣算法题155. 最小栈

题目

设计一个支持 push ,pop ,top 操作,并能在常数时间内检索到最小元素的栈。

实现 MinStack 类:

  • MinStack() 初始化堆栈对象。
  • void push(int val) 将元素val推入堆栈。
  • void pop() 删除堆栈顶部的元素。
  • int top() 获取堆栈顶部的元素。
  • int getMin() 获取堆栈中的最小元素。

示例

示例 1:

输入:
["MinStack","push","push","push","getMin","pop","top","getMin"]
[[],[-2],[0],[-3],[],[],[],[]]

输出:
[null,null,null,null,-3,null,0,-2]

解释:
MinStack minStack = new MinStack();
minStack.push(-2);
minStack.push(0);
minStack.push(-3);
minStack.getMin();   --> 返回 -3.
minStack.pop();
minStack.top();      --> 返回 0.
minStack.getMin();   --> 返回 -2.

提示

  • -231 <= val <= 231 - 1
  • poptop 和 getMin 操作总是在 非空栈 上调用
  • pushpoptop, and getMin最多被调用 3 * 104 次

思路

要做出这道题目,首先要理解栈结构先进后出的性质。

对于栈来说,如果一个元素 a 在入栈时,栈里有其它的元素 b, c, d,那么无论这个栈在之后经历了什么操作,只要 a 在栈中,b, c, d 就一定在栈中,因为在 a 被弹出之前,b, c, d 不会被弹出。

因此,在操作过程中的任意一个时刻,只要栈顶的元素是 a,那么我们就可以确定栈里面现在的元素一定是 a, b, c, d。

那么,我们可以在每个元素 a 入栈时把当前栈的最小值 m 存储起来。在这之后无论何时,如果栈顶元素是 a,我们就可以直接返回存储的最小值 m。

按照上面的思路,我们只需要设计一个数据结构,使得每个元素 a 与其相应的最小值 m 时刻保持一一对应。因此我们可以使用一个辅助栈,与元素栈同步插入与删除,用于存储与每个元素对应的最小值。

当一个元素要入栈时,我们取当前辅助栈的栈顶存储的最小值,与当前元素比较得出最小值,将这个最小值插入辅助栈中;

当一个元素要出栈时,我们把辅助栈的栈顶元素也一并弹出;

在任意一个时刻,栈内元素的最小值就存储在辅助栈的栈顶元素中。

代码

class MinStack {
    Deque xStack;
    Deque minStack;

    public MinStack() {
        xStack = new LinkedList();
        minStack = new LinkedList();
        minStack.push(Integer.MAX_VALUE);
    }
    
    public void push(int x) {
        xStack.push(x);
        minStack.push(Math.min(minStack.peek(), x));
    }
    
    public void pop() {
        xStack.pop();
        minStack.pop();
    }
    
    public int top() {
        return xStack.peek();
    }
    
    public int getMin() {
        return minStack.peek();
    }
}

时间、空间复杂度分析

时间复杂度:对于题目中的所有操作,时间复杂度均为 O(1)。因为栈的插入、删除与读取操作都是 O(1),我们定义的每个操作最多调用栈操作两次。

空间复杂度:O(n),其中 n 为总操作数。最坏情况下,我们会连续插入 n 个元素,此时两个栈占用的空间为 O(n)。

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