Leetcoder Day9｜栈与队列part01
语言：Java/C++
目录
理论基础
C++
栈
队列
Java
栈
队列
编辑
232.用栈实现队列
225. 用队列实现栈
Queue
Deque
今日心得
理论基础
又是考研时数据结构里接触到的老朋友，栈是先进后出，队列是先进先出。
C++
现在刷题除了思路还要重点关注程序语言中的细节，卡哥给了C++中栈需要注意的一些问题：
- C++中stack 是容器么？
- 我们使用的stack是属于哪个版本的STL？
- 我们使用的STL中stack是如何实现的？
- stack 提供迭代器来遍历stack空间么？
栈和队列是STL（C++标准库）里面的两个数据结构，目前常用的C++中的STL有以下三种：
- HP STL 其他版本的C++ STL，一般是以HP STL为蓝本实现出来的，HP STL是C++ STL的第一个实现版本，而且开放源代码。
- P.J.Plauger STL 由P.J.Plauger参照HP STL实现出来的，被Visual C++编译器所采用，不是开源的。
- SGI STL 由Silicon Graphics Computer Systems公司参照HP STL实现，被Linux的C++编译器GCC所采用，SGI STL是开源软件，源码可读性甚高。
栈
提供push 和 pop 等接口
所有元素必须符合先进后出（FILO）规则
栈不提供走访功能，也不提供迭代器(iterator)
从上图可见，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。常用的SGI STL，如果没有指定底层实现，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，实现栈时，只要封住一段，只开通另一端就可以了。
也可以指定vector为栈的底层实现，初始化语句如下：
std::stack > third; // 使用vector为底层容器的栈
队列
队列为先进先出（FIFO），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。也不被归类为容器，而被归类为container adapter（ 容器适配器）。
std::queue> third; // 定义以list为底层容器的队列
Java
栈
栈的底层实现有两种：
- 基于数组的实现：顺序栈（ArrayList）
- 基于链表的实现：链式栈（LinkedList）
栈的基本操作包括入栈（push），即将元素添加到栈顶；出栈（pop），即将栈顶元素移除；以及访问栈顶元素（peek）
// 基于数组实现链表
public class Stack {
private E[] elementData; // 栈中的元素
private int size; // 当前栈中元素个数
public Stack() {
elementData = (E[]) new Object[10]; // 默认长度为10
}
public Stack(int initCap) {
elementData = (E[]) new Object[initCap]; // 初始长度
}
// 入栈
public void push(E value) {
// 扩容
if(size == elementData.length) {
int oldLength = elementData.length;
int newLength = oldLength << 1;
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newLength);
}
// 在数组尾部添加元素
elementData[size++] = value;
}
// 出栈,返回原来的栈顶元素
public E pop () {
if(getSize() == 0) {
throw new NoSuchElementException("栈中没有元素！");
}
// 得到原来的栈顶元素位置
E oldVaule = elementData[size - 1];
size--;
elementData[size] = null;
return oldVaule;
}
// 查看栈顶元素
public E peek() {
if(getSize() == 0) {
throw new NoSuchElementException("栈中没有元素！");
}
return elementData[size - 1];
}
// 获取当前栈的长度
public int getSize() {
return size;
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
stringBuilder.append("[");
for (int i = 0; i < size; i++) {
stringBuilder.append(elementData[i]);
if(i != size - 1) {
stringBuilder.append(",");
}
}
stringBuilder.append("]");
return stringBuilder.toString();
}
}
队列
队列是一种仅支持在表尾进行插入操作、在表头进行删除操作的线性表，插入端称为队尾，删除端称为队首。
队列和栈相同也是可以使用数组和链表实现，但是对于队列来说使用链表的结构效率更高。
/**
* 基于链表的队列
*/
public class LinkedQueue{
private Node head;
private Node tail;
private int size;
private class Node {
private int data;
private Node next;
public Node(int data) {
this.data = data;
}
}
// 入队
public void offer(int value) {
Node node = new Node(value);
if(head == null) {
head = tail = node;
} else {
tail.next = node;
tail = node;
}
size++;
}
// 出队(队首元素出队）
public int poll() {
if(size == 0) {
throw new NoSuchElementException("对列为空！");
} else {
int oldValue = head.data;
Node tempHead = head;
head = head.next;
tempHead.next = null;
size--;
return oldValue;
}
}
// 查看队首元素
public int peek() {
if(size == 0) {
throw new NoSuchElementException("对列为空！");
}
return head.data;
}
public String toString() {
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
stringBuilder.append("front[");
Node node = head;
while (node != null) {
stringBuilder.append(node.data);
if(node.next != null) {
stringBuilder.append(",");
}
node = node.next;
}
stringBuilder.append("]tail");
return stringBuilder.toString();
}
}
压入元素(添加)：add()、offer()
相同：未超出容量，从队尾压入元素，返回压入的那个元素。
区别：在超出容量时，add()方法会对抛出异常，offer()返回false弹出元素(删除)：remove()、poll()
相同：容量大于0的时候，删除并返回队头被删除的那个元素。
区别：在容量为0的时候，remove()会抛出异常，poll()返回false获取队头元素(不删除)：element()、peek()
相同：容量大于0的时候，都返回队头元素。但是不删除。
区别：容量为0的时候，element()会抛出异常，peek()返回null。
普通队列（Queue）是指实现了先进先出的基本队列，例如 ArrayBlockingQueue 和 LinkedBlockingQueue，其中
ArrayBlockingQueue是用数组实现的普通队列，如下图所示
LinkedBlockingQueue 是使用链表实现的普通队列，如下图所示：
⚠️一般情况下 offer() 和 poll() 方法配合使用，put() 和 take() 阻塞方法配合使用，add() 和 remove() 方法配合使用。程序中常用的是 offer() 和 poll() 方法，这两个方法比较友好，不会报错。
Deque（双端队列）：
双端队列（Deque）是指队列的头部和尾部都可以同时入队和出队的数据结构，如下图所示：
232.用栈实现队列
使用栈实现队列的下列操作：
push(x) -- 将一个元素放入队列的尾部。
pop() -- 从队列首部移除元素。
peek() -- 返回队列首部的元素。
empty() -- 返回队列是否为空。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。
- 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）。
class MyQueue {
Stack stackIn;
Stack stackOut;
//initialize
public MyQueue() {
stackIn=new Stack<>(); //输入栈
stackOut=new Stack<>(); //输出栈
}
// 如果stackOut为空，那么将stackIn中的元素全部放入stackOut中
private void dumpStackIn(){
if(!stackOut.isEmpty()) return;
while(!stackIn.isEmpty()){
stackOut.push(stackIn.pop());
}
}
public void push(int x) {
stackIn.push(x); //将元素放入输入栈
}
public int pop() {
dumpStackIn();
return stackOut.pop();
}
public int peek() {
dumpStackIn();
return stackOut.peek();
}
public boolean empty() {
return stackIn.isEmpty() && stackOut.isEmpty();
}
}
/**
* 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();
* boolean param_4 = obj.empty();
*/ 225. 用队列实现栈
使用队列实现栈的下列操作：
- push(x) -- 元素 x 入栈
- pop() -- 移除栈顶元素
- top() -- 获取栈顶元素
- empty() -- 返回栈是否为空
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 这些操作是合法的。
- 你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list 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。
- 你可以假设所有操作都是有效的（例如, 对一个空的栈不会调用 pop 或者 top 操作）。
在理论基础中，有涉及到了Java中队列的两种类型，Queue和Deque。其实队列的形式有很多，常见的有8种，这是其中最常使用的两种。因为知道了双端队列的技巧，所以用队列实现栈很容易就想到了使用双端队列，从一头进和出队列即可。用普通的队列亦可实现：如将1、2、3、4入队，将除了4以外的其他元素弹出并再次入队，弹出4，即可实现pop操作。
Queue
class MyStack {
Queue queue;
public MyStack() {
queue=new LinkedList<>();
}
private void rePush(){
int size=queue.size();
while(size-->1)
{
queue.offer(queue.poll());//把前size-1个重新入队,同时size--
}
}
public void push(int x) {
queue.offer(x);
rePush(); //将队列中的前n-1个元素弹出并放回队列
}
public int pop() {
return queue.poll();
}
public int top() {
return queue.peek();
}
public boolean empty() {
return queue.isEmpty();
}
}
- 时间复杂度: pop为O(n)，其他为O(1)
- 空间复杂度: O(n)
我在第一次写的时候，在push中使用了一次rePush操作，又在top中使用了一次，导致进行了两次重入队，输出错误，要记住如果在push里已经放入并重新入队，其他操作里就不需要了。
Deque
class MyStack {
Deque deque;
public MyStack() {
deque=new ArrayDeque<>();
}
public void push(int x) {
deque.offerLast(x);
}
public int pop() {
return deque.pollLast();
}
public int top() {
return deque.peekLast();
}
public boolean empty() {
return deque.isEmpty();
}
}
今日心得
使用栈和队列时，一定也要关注底层实现，并且要熟悉基本操作。