Bootstrap

【初阶数据结构与算法】栈和队列leetcode刷题之用栈实现队列，用队列实现栈

在这里插入图片描述

文章目录

   在本节的题目中都会用到数据结构栈和队列，由于我们目前没有介绍C++，以C语言的形式来做，所以我们需要把我们之前实现好的栈和队列复制进去再做，等以后我们讲到C++部分就可以使用STL，不用自己手动写栈和队列了

一、用栈实现队列

题目链接：https://leetcode.cn/problems/implement-queue-using-stacks/description/

1.大致思路分析

   我们先来看看题目描述：
在这里插入图片描述
   题目的大致含义就是要求我们使用两个栈模拟实现一个队列，要求要支持一个队列的基本操作，这些操作大致都写在上面说明了，关键我们要构思一下怎么用两个栈实现队列的操作
   我们都知道栈的特点是先进后出，而队列是先进先出，刚好是相反的，是不是可以从这个方面下手，一个栈和队列是相反的，那么两个栈反复倒腾呢？是不是就能“负负得正”？我们画图来实践一下：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
   根据上面我们画的图例，发现我们的想法确实奏效，虽然一个栈和队列的性质刚好相反，但是经过两个栈的倒腾，刚好负负得正，实现先进先出
   但是上面也只是我们的大致思路，我们只讨论了第一入队列的情况，那么下一次我们入队列要把数据放在哪个栈中呢？
   很明显就是栈1，因为栈2现在的顺序是正确的，只要正常的出栈，那么就可以模拟出队列的顺序，所以不能扰乱栈2的顺序
   所以我们可以得出，栈1就是我们用来入队列，而栈2则负责出队列操作，当栈2的元素已经出完之后，我们就可以再次把栈1的所有元素再放进栈2，然后再由栈2来出队列，栈1来入队列，如此循环就基本实现了队列的功能，接下来我们就一个函数一个函数分析：

2.用栈实现队列的结构以及初始化

   这个新队列的结构在题目中也已经提到，就是两个栈，所以我们定义两个栈作为这个新队列的结构，但是我们注意，根据刚刚的分析我们知道，其中一个栈用来入队列，另一个专门用来出队列，所以我们可以取stpush和stpop来进行分辨，如下：

typedef struct 
{
    ST stpush;
    ST stpop;
} MyQueue;

   初始化方法也很简单，就是我们申请一个这样的节点大小的空间，然后分别调用栈的初始化函数来对两个栈初始化，如下：

MyQueue* myQueueCreate() 
{
    MyQueue* pq = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    if(pq == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return NULL;
    }
    STInit(&pq->stpush);
    STInit(&pq->stpop);
    return pq;
}

3.入队列

   在之前我们分析过，两个栈中stpush这个栈用来专门入数据，也就是入队列，所以我们在入队列函数中直接将数据入到stpush栈中，如下：

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) 
{
    STPush(&obj->stpush, x);
}

4.出队列并返回原队头元素

   stpop栈用来专门出队列的，实现出队列的逻辑就是，如果stpop栈不为空，那么我们直接就先保存；原队头元素，然后让stpop出栈，然后返回保存的队头
   但是如果sttop栈为空，我们就需要先把stpush栈中的元素全部放到stpop栈中，放完之后再进行上面的操作，如下：

int myQueuePop(MyQueue* obj) 
{
    if(STEmpty(&obj->stpop))
    {
        while(!STEmpty(&obj->stpush))
        {
            int top = STTop(&obj->stpush);
            STPop(&obj->stpush);
            STPush(&obj->stpop, top);
        }
    }
    int top = STTop(&obj->stpop);
    STPop(&obj->stpop);
    return top;
}

5.返回队头元素

   返回队头元素的逻辑跟上面的出队列操作差不多，如果stpop不为空那么直接返回栈顶元素，如果stpop为空那么就先把stpush中的元素移动到stpop栈中，然后再去返回栈顶元素，跟上面出栈操作的唯一区别就是不用出栈，只用去取栈顶元素，如下：

int myQueuePeek(MyQueue* obj) 
{
        if(STEmpty(&obj->stpop))
    {
        while(!STEmpty(&obj->stpush))
        {
            int top = STTop(&obj->stpush);
            STPop(&obj->stpush);
            STPush(&obj->stpop, top);
        }
    }
    return STTop(&obj->stpop);
}

6.队列判空和队列销毁

   我们用两个栈实现的队列要判空的话，必须保证两个栈同时为空队列才为空，否则就不是空，如下：

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) 
{
    return STEmpty(&obj->stpush) && STEmpty(&obj->stpop);
}

   队列销毁的本质也就是销毁里面的两个栈，但是由于我们的MyQueue这个指针也是我们动态申请的，也要释放掉，然后置空，如下：

void myQueueFree(MyQueue* obj) 
{
    STDestroy(&obj->stpush);
    STDestroy(&obj->stpop);
    free(obj);
    obj = NULL;
}

7.完整题解代码

   注意，这里所有关于栈的实现的代码就不再贴出来了，否则就太长了，可以自行把实现的栈放在题目之前，那么出来栈部分的完整题解如下：

typedef struct 
{
    ST stpush;
    ST stpop;
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() 
{
    MyQueue* pq = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    if(pq == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return NULL;
    }
    STInit(&pq->stpush);
    STInit(&pq->stpop);
    return pq;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) 
{
    STPush(&obj->stpush, x);
}

int myQueuePop(MyQueue* obj) 
{
    if(STEmpty(&obj->stpop))
    {
        while(!STEmpty(&obj->stpush))
        {
            int top = STTop(&obj->stpush);
            STPop(&obj->stpush);
            STPush(&obj->stpop, top);
        }
    }
    int top = STTop(&obj->stpop);
    STPop(&obj->stpop);
    return top;
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) 
{
        if(STEmpty(&obj->stpop))
    {
        while(!STEmpty(&obj->stpush))
        {
            int top = STTop(&obj->stpush);
            STPop(&obj->stpush);
            STPush(&obj->stpop, top);
        }
    }
    return STTop(&obj->stpop);
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) 
{
    return STEmpty(&obj->stpush) && STEmpty(&obj->stpop);
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) 
{
    STDestroy(&obj->stpush);
    STDestroy(&obj->stpop);
    free(obj);
    obj = NULL;
}

二、用队列实现栈

题目链接：https://leetcode.cn/problems/implement-stack-using-queues/description/

1.大致思路分析

   我们先来看看题目描述：
在这里插入图片描述
   这道题和上道题类似，就是使用两个队列实现一个栈的各种操作，这道题要比上一题难，因为在上一题中，我们的思路就是“负负得正”，通过两个栈的互相倒腾就可以还原队列的入队列出队列操作，但是这题不行，我们画个图看看：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
   根据上图的分析，我们知道了完全使用上一题的思路行不通，因为栈通过两次倒腾后，里面的元素顺序会反过来，但是队列通过两次倒腾后，里面元素的顺序还是不变
   所以我们要换个思路，我们先来看看出栈的思路： 我们把数据入到队列1中，然后移动到队列2时，不全部挪过去，只留下一个，如图：
在这里插入图片描述
   这个时候我们发现队列1中留下的，对应到栈上不正是我们的栈顶元素吗？我们在出栈的时候就可以把队列1中剩下的一个元素出队列，4是最后入栈的，最后第一个出栈，符合我们栈的性质
   那么为了保险起见，我们再试一次，先假设我们实现的栈出栈一次，就是把4删掉，让剩下的1,2,3再来模拟一次出栈，如图：
在这里插入图片描述
   此时我们发现队列2中留下的正好是新的栈顶元素，让队列2出队列就刚好对应了出栈操作，所以我们的出栈思路大致是正确的
   但是我们发现，队列1和队列2是反复倒腾的，没有哪个是专门出栈，哪个专门入栈的，所以我们接下来要分清怎么判断哪个队列什么时候用来入栈，什么时候用来出栈
   经过规律总结我们发现，当我们要出栈的时候，有一个队列总是空着的，另一个队列里面才装有数据，我们在操作时就是让不为空的队列将size-1个元素挪到空队列里面去，然后不为空的队列就只剩下一个元素出队列即可模拟实现出栈
   那么我们入栈的时候，就是往不为空的队列中去入，所以我们在写入栈和出栈操作时最重要的就时判断出哪个队列空，哪个队列不为空，才方便进行操作，那么接下来我们就一个函数一个函数分析：

2.用队列实现栈的结构和初始化

   题目明确要求我们使用两个队列实现一个栈，所以栈的结构实际上就是两个队列，如下：

typedef struct 
{
    Queue q1;
    Queue q2;    
} MyStack;

   初始化也很简单，首先动态开辟一个MyStack大小的空间，然后就只需要调用队列的初始化方法分别初始化两个队列即可，如下：

MyStack* myStackCreate() 
{
    MyStack* st = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    if(st == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return NULL;
    }
    QueueInit(&st->q1);
    QueueInit(&st->q2);
    return st;
}

3.入栈

   我们刚刚分析过了，我们入栈就是往不为空的队列中去入，所以我们在入栈时只需要判断一下哪个栈不为空即可，如下：

void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
         QueuePush(&obj->q1, x);
    }
    else
    {
        QueuePush(&obj->q2, x);
    }
}

4.出栈

   我们的出栈操作刚刚也重点分析了，就是先找出哪个是空队列，哪个是非空队列，然后将非空队列中size-1个数据挪动到空队列中，然后非空队列剩下的一个元素就是我们要出栈的元素，题目要求出栈前返回栈顶元素，所以我们创建一个变量用来保存栈顶元素，最后用来返回即可，如下：

int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    //假设q1队列为空，另一个队列非空
    Queue* empty = &obj->q1;
    Queue* noempty = &obj->q2;
    //如果q1非空，那么q2就是空队列，q1是非空队列
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
         empty = &obj->q2;
         noempty = &obj->q1;
    }
    //找到size减1的大小
    int sum = QueueSize(noempty) - 1;
    //循环地把非空队列的元素移动到空队列中
    while(sum--)
    {
        int top = QueueFront(noempty);
        QueuePop(noempty);
        QueuePush(empty, top);
    }
    //最后保存一下非空队列的栈顶元素
    //然后就可以出队列了，也就是出栈
    int top =  QueueFront(noempty);
    QueuePop(noempty);
    return top;
}

5.取栈顶元素

   取栈顶元素其实就是取非空队列中的队尾元素，如下：

int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }
    else
    {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
}

6.判空和销毁栈

   只有两个队列同时为空，我们的栈才为空，如下：

bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{
    return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);    
}

   销毁栈就只需要调用队列的销毁函数，分别销毁掉两个队列即可，不要忘了最后把整个栈的结构也销毁掉，如下：

void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    QueueDestroy(&obj->q1);
    QueueDestroy(&obj->q2);
    free(obj);
    obj = NULL;
}

7.完整题解

   注意，这里所有关于队列的实现的代码就不再贴出来了，否则就太长了，可以自行把实现的队列放在题目之前，那么除了栈部分的完整题解如下：

typedef struct 
{
    Queue q1;
    Queue q2;    
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() 
{
    MyStack* st = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    if(st == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return NULL;
    }
    QueueInit(&st->q1);
    QueueInit(&st->q2);
    return st;
}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
         QueuePush(&obj->q1, x);
    }
    else
    {
        QueuePush(&obj->q2, x);
    }
}

int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    //假设q1队列为空，另一个队列非空
    Queue* empty = &obj->q1;
    Queue* noempty = &obj->q2;
    //如果q1非空，那么q2就是空队列，q1是非空队列
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
         empty = &obj->q2;
         noempty = &obj->q1;
    }
    //找到size减1的大小
    int sum = QueueSize(noempty) - 1;
    //循环地把非空队列的元素移动到空队列中
    while(sum--)
    {
        int top = QueueFront(noempty);
        QueuePop(noempty);
        QueuePush(empty, top);
    }
    //最后保存一下非空队列的栈顶元素
    //然后就可以出队列了，也就是出栈
    int top =  QueueFront(noempty);
    QueuePop(noempty);
    return top;
}

int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
        return QueueBack(&obj->q1);
    }
    else
    {
        return QueueBack(&obj->q2);
    }
}

bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{
    return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);    
}

void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    QueueDestroy(&obj->q1);
    QueueDestroy(&obj->q2);
    free(obj);
    obj = NULL;
}

那么今天的刷题就分享到这里，有什么疑问欢迎提出，下一篇我们还有一个重点的题目设计循环队列，讲完后我们就可以进入二叉树的学习了，敬请期待吧！
   bye~

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

最新收录
Java面试所需的知识
python爬虫进阶（八）：分布式系统的高可用与高并发处理
台架控制器-AVL_ISAC学习
HTML表单标签和html5新增的表单标签
微信小程序之modal弹出框遮罩层组件——可带文本框
常用的RTMP、RTSP、HTTP协议流直播流地址
基于jsp+mysql+Spring+mybatis的SSM搭建的一个BBS论坛
RT-DETR目标检测onnxruntime和tensorrt推理
解密Spring ApplicationContext：源码剖析与内部刷新 refresh 机制
学习日记_20241110_聚类方法（K-Means）
;