|
作者 | labuladong 来源 | labuladong 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」。
一、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)。 二、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。
|
