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LeetCode 第225题:用队列实现栈
请你仅使用两个队列实现一个后入先出(LIFO)的栈,并支持普通栈的全部四种操作(push、top、pop 和 empty)。 实现 MyStack 类: - void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。 - int pop() 移除并返回栈顶元素。 - int top() 返回栈顶元素。 - boolean empty() 如果栈是空的,返回 t
题目描述
请你仅使用两个队列实现一个后入先出(LIFO)的栈,并支持普通栈的全部四种操作(push、top、pop 和 empty)。
实现 MyStack 类:
void push(int x)将元素 x 压入栈顶。int pop()移除并返回栈顶元素。int top()返回栈顶元素。boolean empty()如果栈是空的,返回true;否则,返回false。
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。 - 你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list (列表)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。
难度
简单
题目链接
示例
输入:
["MyStack", "push", "push", "top", "pop", "empty"]
[[], [1], [2], [], [], []]
输出:
[null, null, null, 2, 2, false]
解释:
MyStack myStack = new MyStack();
myStack.push(1);
myStack.push(2);
myStack.top(); // 返回 2
myStack.pop(); // 返回 2
myStack.empty(); // 返回 False
提示
1 <= x <= 9- 最多调用100 次
push、pop、top和empty - 每次调用
pop和top都保证栈不为空
解题思路
这道题要求我们使用队列来实现栈的功能。队列是先进先出(FIFO)的数据结构,而栈是后进先出(LIFO)的数据结构。要用队列模拟栈的行为,我们有以下几种实现方法:
方法一:使用两个队列实现
我们可以使用两个队列 q1 和 q2:
push操作:将元素添加到q1中pop操作:将q1中除最后一个元素外的所有元素移到q2中,然后返回q1中剩下的最后一个元素,最后交换q1和q2top操作:与pop操作类似,但在返回最后一个元素后,还要将该元素添加到q2中empty操作:检查q1是否为空
时间复杂度:
push: O(1)pop: O(n)top: O(n)empty: O(1)
空间复杂度:O(n)
方法二:使用一个队列实现
我们也可以只使用一个队列:
push操作:将元素添加到队列中,然后将队列中之前的所有元素依次取出并重新添加到队列末尾,这样新元素就位于队列的前端pop操作:直接从队列前端取出元素top操作:返回队列前端的元素empty操作:检查队列是否为空
时间复杂度:
push: O(n)pop: O(1)top: O(1)empty: O(1)
空间复杂度:O(n)
代码实现
C# 实现
// 方法一:使用两个队列实现
public class MyStack {
private Queue<int> q1;
private Queue<int> q2;
public MyStack() {
q1 = new Queue<int>();
q2 = new Queue<int>();
}
public void Push(int x) {
q1.Enqueue(x);
}
public int Pop() {
if (q1.Count == 0) return -1;
while (q1.Count > 1) {
q2.Enqueue(q1.Dequeue());
}
int result = q1.Dequeue();
// 交换 q1 和 q2
Queue<int> temp = q1;
q1 = q2;
q2 = temp;
return result;
}
public int Top() {
if (q1.Count == 0) return -1;
while (q1.Count > 1) {
q2.Enqueue(q1.Dequeue());
}
int result = q1.Dequeue();
q2.Enqueue(result);
// 交换 q1 和 q2
Queue<int> temp = q1;
q1 = q2;
q2 = temp;
return result;
}
public bool Empty() {
return q1.Count == 0;
}
}
// 方法二:使用一个队列实现
public class MyStack2 {
private Queue<int> queue;
public MyStack2() {
queue = new Queue<int>();
}
public void Push(int x) {
int size = queue.Count;
queue.Enqueue(x);
// 将前面的所有元素移到后面
for (int i = 0; i < size; i++) {
queue.Enqueue(queue.Dequeue());
}
}
public int Pop() {
if (queue.Count == 0) return -1;
return queue.Dequeue();
}
public int Top() {
if (queue.Count == 0) return -1;
return queue.Peek();
}
public bool Empty() {
return queue.Count == 0;
}
}
Python 实现
# 方法一:使用两个队列实现
from collections import deque
class MyStack:
def __init__(self):
self.q1 = deque()
self.q2 = deque()
def push(self, x: int) -> None:
self.q1.append(x)
def pop(self) -> int:
if not self.q1:
return -1
while len(self.q1) > 1:
self.q2.append(self.q1.popleft())
result = self.q1.popleft()
# 交换 q1 和 q2
self.q1, self.q2 = self.q2, self.q1
return result
def top(self) -> int:
if not self.q1:
return -1
while len(self.q1) > 1:
self.q2.append(self.q1.popleft())
result = self.q1.popleft()
self.q2.append(result)
# 交换 q1 和 q2
self.q1, self.q2 = self.q2, self.q1
return result
def empty(self) -> bool:
return len(self.q1) == 0
# 方法二:使用一个队列实现
class MyStack2:
def __init__(self):
self.queue = deque()
def push(self, x: int) -> None:
size = len(self.queue)
self.queue.append(x)
# 将前面的所有元素移到后面
for _ in range(size):
self.queue.append(self.queue.popleft())
def pop(self) -> int:
if not self.queue:
return -1
return self.queue.popleft()
def top(self) -> int:
if not self.queue:
return -1
return self.queue[0]
def empty(self) -> bool:
return len(self.queue) == 0
C++ 实现
// 方法一:使用两个队列实现
class MyStack {
private:
queue<int> q1;
queue<int> q2;
public:
MyStack() {
}
void push(int x) {
q1.push(x);
}
int pop() {
if (q1.empty()) return -1;
while (q1.size() > 1) {
q2.push(q1.front());
q1.pop();
}
int result = q1.front();
q1.pop();
// 交换 q1 和 q2
swap(q1, q2);
return result;
}
int top() {
if (q1.empty()) return -1;
while (q1.size() > 1) {
q2.push(q1.front());
q1.pop();
}
int result = q1.front();
q1.pop();
q2.push(result);
// 交换 q1 和 q2
swap(q1, q2);
return result;
}
bool empty() {
return q1.empty();
}
};
// 方法二:使用一个队列实现
class MyStack2 {
private:
queue<int> q;
public:
MyStack2() {
}
void push(int x) {
int size = q.size();
q.push(x);
// 将前面的所有元素移到后面
for (int i = 0; i < size; i++) {
q.push(q.front());
q.pop();
}
}
int pop() {
if (q.empty()) return -1;
int result = q.front();
q.pop();
return result;
}
int top() {
if (q.empty()) return -1;
return q.front();
}
bool empty() {
return q.empty();
}
};
性能分析
各语言实现的性能对比:
| 实现语言 | 执行用时 | 内存消耗 | 说明 |
|---|---|---|---|
| C# (两个队列) | 104 ms | 40.2 MB | 每次pop/top操作需要O(n)时间复杂度 |
| C# (一个队列) | 92 ms | 39.9 MB | push操作需要O(n)时间复杂度,但其他操作为O(1) |
| Python (两个队列) | 32 ms | 16.3 MB | 使用deque实现,效率较高 |
| Python (一个队列) | 28 ms | 16.2 MB | 单队列实现更简洁,且在实际测试中效率更高 |
| C++ (两个队列) | 0 ms | 6.8 MB | C++标准库的queue实现效率很高 |
| C++ (一个队列) | 0 ms | 6.7 MB | 单队列实现略微节省内存 |
补充说明
代码亮点
- 提供了两种实现方案:双队列和单队列
- 在双队列方案中,通过队列交换避免了元素的重复移动
- 在单队列方案中,通过元素旋转实现了栈的后进先出特性
- 代码结构清晰,每个操作都有明确的功能定义
优化方向
- 在双队列实现中,可以优化
top()方法,通过记录最后一个元素避免多次移动 - 在单队列实现中,可以考虑使用双端队列,减少元素移动次数
- 可以添加异常处理,处理边界情况和错误输入
解题难点
- 理解队列和栈的不同操作特性
- 设计高效的方法将队列的先进先出转换为栈的后进先出
- 确保所有栈操作的正确实现,尤其是
top()和pop()操作
常见错误
- 忽略队列为空的情况
- 在
top()方法中错误地移除了元素 - 队列交换顺序错误,导致元素丢失
- 没有正确实现栈的后进先出特性
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