用栈实现队列/用队列实现栈

数据结构

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 2019/10/23   Share

队列是一种先进先出的数据结构，栈是一种先进后出的数据结构。

队列是一种先进先出的数据结构，栈是一种先进后出的数据结构，形象一点就是这样：

这两种数据结构底层其实都是数组或者链表实现的，只是 API 限定了它们的特性，那么今天就来看看如何使用「栈」的特性来实现一个「队列」，如何用「队列」实现一个「栈」。

用栈实现队列

首先，队列的 API 如下：

class MyQueue {

    /** 添加元素到队尾 */
    public void push(int x);

    /** 删除队头的元素并返回 */
    public int pop();

    /** 返回队头元素 */
    public int peek();

    /** 判断队列是否为空 */
    public boolean empty();
}

我们使用两个栈s1, s2就能实现一个队列的功能（这样放置栈可能更容易理解）：

class MyQueue {
    private Stack<Integer> s1, s2;

    public MyQueue() {
        s1 = new Stack<>();
        s2 = new Stack<>();
    }
    // ...
}

当调用push让元素入队时，只要把元素压入s1即可，比如说push进 3 个元素分别是 1,2,3，那么底层结构就是这样：

/** 添加元素到队尾 */
public void push(int x) {
    s1.push(x);
}

那么如果这时候使用peek查看队头的元素怎么办呢？按道理队头元素应该是 1，但是在s1中 1 被压在栈底，现在就要轮到s2起到一个中转的作用了：

当s2为空时，可以把s1的所有元素取出再添加进s2，这时候s2中元素就是先进先出顺序了。

/** 返回队头元素 */
public int peek() {
    if (s2.isEmpty())
        // 把 s1 元素压入 s2
        while (!s1.isEmpty())
            s2.push(s1.pop());
    return s2.peek();
}

同理，对于pop操作，只要操作s2就可以了。

/** 删除队头的元素并返回 */
public int pop() {
    // 先调用 peek 保证 s2 非空
    peek();
    return s2.pop();
}

最后，如何判断队列是否为空呢？如果两个栈都为空的话，就说明队列为空：

/** 判断队列是否为空 */
public boolean empty() {
    return s1.isEmpty() && s2.isEmpty();
}

至此，就用栈结构实现了一个队列，核心思想是利用两个栈互相配合。

值得一提的是，这几个操作的时间复杂度是多少呢？其他操作都是 O(1)，有点意思的是peek操作，调用它时可能触发while循环，这样的话时间复杂度是 O(N)，但是大部分情况下while循环不会被触发，时间复杂度是 O(1)。由于pop操作调用了peek，它的时间复杂度和peek相同。

像这种情况，可以说它们的最坏时间复杂度是 O(N)，因为包含while循环，可能需要从s1往s2搬移元素。

但是它们的均摊时间复杂度是 O(1)，这个要这么理解：对于一个元素，最多只可能被搬运一次，也就是说peek操作平均到每个元素的时间复杂度是 O(1)。

用队列实现栈

如果说双栈实现队列比较巧妙，那么用队列实现栈就比较简单粗暴了，只需要一个队列作为底层数据结构。首先看下栈的 API：

class MyStack {

    /** 添加元素到栈顶 */
    public void push(int x);

    /** 删除栈顶的元素并返回 */
    public int pop();

    /** 返回栈顶元素 */
    public int top();

    /** 判断栈是否为空 */
    public boolean empty();
}

先说pushAPI，直接将元素加入队列，同时记录队尾元素，因为队尾元素相当于栈顶元素，如果要top查看栈顶元素的话可以直接返回：

class MyStack {
    Queue<Integer> q = new LinkedList<>();
    int top_elem = 0;

    /** 添加元素到栈顶 */
    public void push(int x) {
        // x 是队列的队尾，是栈的栈顶
        q.offer(x);
        top_elem = x;
    }

    /** 返回栈顶元素 */
    public int top() {
        return top_elem;
    }
}

我们的底层数据结构是先进先出的队列，每次pop只能从队头取元素；但是栈是后进先出，也就是说popAPI 要从队尾取元素。

解决方法简单粗暴，把队列前面的都取出来再加入队尾，让之前的队尾元素排到队头，这样就可以取出了：

/** 删除栈顶的元素并返回 */
public int pop() {
    int size = q.size();
    while (size > 1) {
        q.offer(q.poll());
        size--;
    }
    // 之前的队尾元素已经到了队头
    return q.poll();
}

这样实现还有一点小问题就是，原来的队尾元素被提到队头并删除了，但是top_elem变量没有更新，我们还需要一点小修改：

/** 删除栈顶的元素并返回 */
public int pop() {
    int size = q.size();
    // 留下队尾 2 个元素
    while (size > 2) {
        q.offer(q.poll());
        size--;
    }
    // 记录新的队尾元素
    top_elem = q.peek();
    q.offer(q.poll());
    // 删除之前的队尾元素
    return q.poll();
}

最后，APIempty就很容易实现了，只要看底层的队列是否为空即可：

/** 判断栈是否为空 */
public boolean empty() {
    return q.isEmpty();
}

很明显，用队列实现栈的话，pop 操作时间复杂度是 O(N)，其他操作都是 O(1)。

个人认为，用队列实现栈没啥亮点，但是用双栈实现队列是值得学习的。

出栈顺序本来就和入栈顺序相反，但是从栈s1搬运元素到s2之后，s2中元素出栈的顺序就变成了队列的先进先出顺序，这个特性有点类似「负负得正」，确实不容易想到。

参考文章:
参考链接1

Author：John Doe

原文链接：https://removeif.github.io/2019/10/23/data-structure/%E7%94%A8%E6%A0%88%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E9%98%9F%E5%88%97-%E7%94%A8%E9%98%9F%E5%88%97%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E6%A0%88/

发表日期：October 23rd 2019, 6:30:03 pm

更新日期：February 2nd 2020, 10:00:25 am

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