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LeetCode每日精进：225.用队列实现栈

news 来源：原创 2025/5/6 17:37:29

题目链接：225.用队列实现栈

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：

  • 你只能使用队列的标准操作 —— 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。

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 

思路：

        由于要使用到队列，需要添加队列的相关代码，参考队列：数据结构中的”排队艺术“

1.栈的结构

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

        这里我们定义的栈用两个队列进行实现栈先进后出的特性。

2.栈的创建

MyStack* myStackCreate()

        对我们的栈申请空间，并对结构中的两个队列初始化，返回指向栈的指针。

MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&pst->q1);
    QueueInit(&pst->q2);
    return pst;    
}

3.入栈

void myStackPush(MyStack* obj, int x)

        假设栈中原有数据1，在将下一个数据入栈时，为了方便之后取栈顶元素和出栈的操作，下一个数据2直接找非空队列q1入队列即可。

        所以入栈的操作是：找非空队列直接入队列即可，若两队列均为空，则入哪个队列都可以，这里我们默认两队列为空时数据入队列q2。

代码实现：

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

4.出栈

int myStackPop(MyStack* obj)

        假设现在队列q1中有4个数据，所对应的栈的结构如右图所示，在右图的栈中出栈只需将栈的有效数据个数减一即可，但在我们定义的栈中，由于队列q1只能从队头出数据，所以在出栈操作中需要使用两个队列。        

    Queue* emp = &obj->q1;
    Queue* noneEmp = &obj->q2;
    if (QueueEmpty(&obj->q2))
    {
        emp = &obj->q2;
        noneEmp = &obj->q1;                       
    }

         由于需要频繁判断两个队列是否为空，这里令q1为空队列emp，q2为非空队列noneEmp，若q2为空队列，那么令q1为非空队列，q2为空队列，这样无需再区分q1，q2哪个为空队列和非空队列了。          

        这里我们将除非空队列中的最后一个元素4以外的元素按照顺序入到空队列中，由于需要返回出栈的元素，我们用top记录后，再出队列即可。 

    while(QueueSize(noneEmp) > 1)
    {
        QueuePush(emp,QueueFront(noneEmp));
        QueuePop(noneEmp);
    }
    int top = QueueFront(noneEmp);
    QueuePop(noneEmp);
    return top;

         所以出栈的操作是：将非空队列noneEmp中前size-1个数据入到空队列emp中，记录非空队列中出栈元素，再将其出队列。

完整代码：

    while(QueueSize(noneEmp) > 1)
    {
        QueuePush(emp,QueueFront(noneEmp));
        QueuePop(noneEmp);
    }
    int top = QueueFront(noneEmp);
    QueuePop(noneEmp);
    return top;

5.返回栈顶元素

int myStackTop(MyStack* obj)

        图示中栈顶元素为4，对应我们定义的栈中非空队列q1的队尾元素4。

        所以返回栈顶元素的操作是：找非空队列，返回非空队列队尾元素。

代码实现：

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

6.判空

bool myStackEmpty(MyStack* obj)

        无论q1还是q2只要队列中有数据，那么对应的栈则不为空，所以当两个队列都为空时，栈为空，返回true，两个队列中只要有一个队列有数据，则栈不为空，返回false。

代码实现：

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

7.销毁

void myStackFree(MyStack* obj)

         由于我们定义的栈中有两个队列，所以先将队列q1，q2销毁，又因为在这之前栈的创建myStackCreate()函数中申请了一个MyStack大小的空间，所以需要将参数obj所指向的空间释放并置空，从而完成销毁。

代码实现：

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

代码总览：

typedef int QDataType;
// 链式结构：表示队列 
typedef struct QListNode
{
	struct QListNode* _next;
	QDataType _data;
}QNode;

// 队列的结构 
typedef struct Queue
{
	QNode* _front;
	QNode* _rear;
	int size;
}Queue;

void QueueInit(Queue* q)
{
	assert(q);
	q->_front = q->_rear = NULL;
	q->size = 0;
}

// 队尾入队列 
void QueuePush(Queue* q, QDataType data)
{
	assert(q);
	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc");
		exit(1);
	}
	newnode->_data = data;
	newnode->_next = NULL;

	if (q->_front == NULL)
	{
		q->_front = q->_rear = newnode;
	}
	else
	{
		q->_rear->_next = newnode;
		q->_rear = q->_rear->_next;
	}
	++q->size;
}

// 检测队列是否为空，如果为空返回非零结果，如果非空返回0 
int QueueEmpty(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->_front == NULL;
}

// 队头出队列 
void QueuePop(Queue* q)
{
	assert(!QueueEmpty(q));
	if (q->_front == q->_rear)
	{
		free(q->_front);
		q->_front = q->_rear = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = q->_front->_next;
		free(q->_front);
		q->_front = next;
	}
	--q->size;
}

// 获取队列头部元素 
QDataType QueueFront(Queue* q)
{
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->_front->_data;
}

// 获取队列队尾元素 
QDataType QueueBack(Queue* q)
{
	assert(!QueueEmpty(q));
	return q->_rear->_data;
}

// 获取队列中有效元素个数 
int QueueSize(Queue* q)
{
	assert(q);
	return q->size;
}

// 销毁队列 
void QueueDestroy(Queue* q)
{
	assert(q);
	QNode* pcur = q->_front;
	while (pcur)
	{
		QNode* next = pcur->_next;
		free(pcur);
		pcur = next;
	}
	q->_front = q->_rear = NULL;
	q->size = 0;
}


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


MyStack* myStackCreate() {
    MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&pst->q1);
    QueueInit(&pst->q2);
    return pst;    
}

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

int myStackPop(MyStack* obj) {
    Queue* emp = &obj->q1;
    Queue* noneEmp = &obj->q2;
    if (QueueEmpty(&obj->q2))
    {
        emp = &obj->q2;
        noneEmp = &obj->q1;                       
    }
    while(QueueSize(noneEmp) > 1)
    {
        QueuePush(emp,QueueFront(noneEmp));
        QueuePop(noneEmp);
    }
    int top = QueueFront(noneEmp);
    QueuePop(noneEmp);
    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;
}

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