java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!

发布于 2020-12-31 18:09
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java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区之前我们讲过《用两个栈实现一个队列》,而今天我们要讲的是「用队列实现栈」,而我们今天要用多种方法来实现队列到栈的“转变”。
老规矩,先来回顾一下栈(Stack)和队列(Queue)的特性和常见方法。
栈是后进先出(LIFO)的数据结构,常见方法如下:

 

  • push():入栈方法,向栈顶添加元素;
  • pop():出栈方法,将栈顶的元素移除并返回元素;
  • peek():查询栈顶元素,并不会移除元素。

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区

队列是先进先出(FIFO)的数据结构,常见方法如下:

 

  • offer():入队方法,向队尾添加元素;
  • poll():出队方法,从队头移除并返回元素;
  • peek():查询队头元素,并不会移除元素。

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区知道了这些基础内容之后,就来看今天的问题吧。

 

题目描述
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)。

LeetCode 225:https://leetcode-cn.com/problems/implement-stack-using-queues/


题目解析
这道题的题目很好理解:只需要将先进先出的队列,转换为后进先出的“栈”就可以了,我们可以从多个方向入手来实现此功能,比如使用两个队列插入并交换的方式,或者是一个队列插入再交换的方式,或双端队列的方式来实现此功能,具体实现方法和代码如下。
实现方法 1:两个队列实现栈
之前我们用两个栈实现了一个队列的文章中,主要使用的是「负负得正」的思想,那么当看到此道题时,首先应该想到的是用两个队列来实现一个栈,但这里的实现思路和用栈实现队列的思路又略有不同,因为队列都是先进先出的,我们可以把它理解为「正数」,那么也就不能用「负负得正」的思想了,我们这里使用两个队列来实现栈,主要的操作思路是先将元素插入一个临时队列中,然后再将另一个队列的所有元素插入到临时队列的尾部,从而实现后进先出功能的,具体的实现步骤如下。
步骤一
添加首个元素,入列到临时队列 queue2:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤二
因为正式队列中无元素,因此无需将 queue1 中的元素移动到临时队列 queue2 的尾部,直接将临时队列和正式队列互换即可:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤三
添加第二个元素,先入列到临时队列 queue2:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤四
再将 queue1 中的元素移动到 queue2 的尾部,如下所示:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤五
再将 queue1 和 queue2 进行互换:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤六
执行出队操作:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区最终效果

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区从最终的效果图我们可以看出,通过两个队列已经实现了后进先出的特性,也就是完成了从队列到栈的转换,实现代码如下:

import java.util.Queue;

class MyStack {

    Queue<Integer> queue1;
    Queue<Integer> queue2;

    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedBlockingQueue();
        queue2 = new LinkedBlockingQueue();
    }

    /**
     * 入栈
     */
    public void push(int x) {
        // 1.入列临时队列二
        queue2.offer(x);
        // 2.将队列一的所有元素移动到队列二
        while (!queue1.isEmpty()) {
            queue2.offer(queue1.poll());
        }
        // 3.队列一和队列二互换
        Queue<Integer> temp = queue1;
        queue1 = queue2;
        queue2 = temp;
    }

    /**
     * 出栈并返回此元素
     */
    public int pop() {
        return queue1.poll();
    }

    /**
     * 查询栈顶元素
     */
    public int top() {
        return queue1.peek();
    }

    /**
     * 判断是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty();
    }
}

我们在 LeetCode 中提交以上测试代码,执行结果如下:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区

此方法很稳,竟然击败了 100% 的用户。

实现方法 2:一个队列实现栈
那我们可以不可以用一个队列来实现栈呢?答案是肯定的。
我们只需要执行以下两个步骤就可以实现将队列转换为栈了,具体实现步骤如下:

  1. 将元素入列到队尾;
  2. 再将除队尾之外的所有元素移除并重写入列。

这样操作之后,最后进入的队尾元素反而变成了队头元素,也就实现了后进先出的功能了,如下图所示。
步骤一
元素 1 入列:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤二
元素 2 入列:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤三
将最后一个元素之前的所有元素,也就是元素 1,出列重新入列:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤四
执行出队操作:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区最终效果

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区以上思路的实现代码如下:

import java.util.Queue;

class MyStack {
    Queue<Integer> queue1;

    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedBlockingQueue();
    }

    /**
     * 入栈
     */
    public void push(int x) {
        // 获取原队列长度(要移动的次数)
        int count = queue1.size();
        // 将元素放入队尾
        queue1.offer(x);
        // 将除最后一个元素外,其他的元素重新入队
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            System.out.println("for");
            queue1.offer(queue1.poll());
        }
    }

    /**
     * 出栈并返回此元素
     */
    public int pop() {
        return queue1.poll();
    }

    /**
     * 查询栈顶元素
     */
    public int top() {
        return queue1.peek();
    }

    /**
     * 判断是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty();
    }
}

我们把以上代码在 LeetCode 中提交,执行结果如下:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区

此方法依旧很稳,也是同样的击败了 100% 的用户,只不过此方法在内存方面有更好的表现。

实现方法 3:双端队列实现栈
如果觉得以上方法比较难的话,最后我们还有一个更简单的实现方法,我们可以使用 Java 中的双端队列 ArrayDeque 来实现将元素可以插入队头或队尾,同样移除也是,那么这样我们就可以从队尾入再从队尾出,从而就实现了栈的功能了。
双端队列结构如下:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区我们来演示一下用双端队列实现栈的具体步骤。
步骤一
元素 1 入队:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤二
元素 2 入队(队尾):

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区步骤三
再从队尾出队:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区最终效果

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区以上思路的实现代码如下:

import java.util.ArrayDeque;

class MyStack {
    ArrayDeque<Integer> deque;

    public MyStack() {
        deque = new ArrayDeque<>();
    }

    /**
     * 入栈
     */
    public void push(int x) {
        deque.offer(x);
    }

    /**
     * 出栈并返回此元素
     */
    public int pop() {
        return deque.pollLast();
    }

    /**
     * 查询栈顶元素
     */
    public int top() {
        return empty() ? -1 : deque.peekLast();
    }

    /**
     * 判断是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return deque.isEmpty();
    }
}


我们把以上代码在 LeetCode 中提交,执行结果如下:

java队列实现栈的3种方法,击败了大部分的人!-开源基础软件社区总结
本文我们用 3 种方法实现了将队列转换为栈,其中最简单的方法是用 Java 中自带的双端队列 ArrayDeque 从队尾入并从队尾出就实现了栈 ,其他两个方法使用的是普通队列,通过入队之后再移动元素到入队元素之后的方法,从而实现了栈的功能。
小伙伴们,你学会了吗?

 

本文授权转自公号:Java中文社群  作者:王磊

已于2020-12-31 18:09:40修改
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