数据结构之栈和队列

这次，我们主要看栈和队列的相关题目。

　　栈是“后进先出”的数据结构，队列是“先进先出”的数据结构，我们假设栈和队列中存储的都是整型数值，先来定义这两种数据结构（都采用数组的形式来存储信息，当达到数组边界时，对数组进行扩容处理）。

　　栈主要包括Push、Pop和Peek和Count三个方法，如下：

 1 public class Stack {
 2     private int[] arrValue = null;
 3     private int m_Capacity;
 4     private int m_Count;
 5     private void set_Count(int m_Count) {
 6         this.m_Count = m_Count;
 7     }
 8 
 9     public int get_Count() {
10         return m_Count;
11     }
12     
13     public Stack(int capacity)
14     {
15         m_Capacity = capacity;
16         arrValue = new int[capacity];
17         set_Count(0);
18     }
19     
20     public void push(int value)
21     {
22         if (get_Count() == m_Capacity)
23         {
24             System.out.println("Need to malloc more space for stack.");
25             int[] temp = new int[m_Capacity*2];
26             for(int i = 0; i < m_Capacity; i++)
27             {
28                 temp[i] = arrValue[i];
29             }
30             arrValue = temp;
31             m_Capacity = m_Capacity*2;
32             System.out.println("The capacity of stack is " + m_Capacity);
33         }
34         set_Count(get_Count() + 1);
35         arrValue[get_Count() - 1] = value;
36         
37     }
38     
39     public int peek()
40     {
41         if (get_Count() == 0)
42         {
43             System.out.println("Stack is empty;");
44             return Integer.MIN_VALUE;
45         }
46         return arrValue[get_Count() - 1];
47     }
48     
49     public int pop()
50     {
51         if (get_Count() == 0)
52         {
53             System.out.println("Stack is empty;");
54             return Integer.MIN_VALUE;
55         }
56         int result = arrValue[get_Count() - 1];
57         set_Count(get_Count() - 1);
58         return result;
59     }
60 }

　　队列主要包括EnQueue和DeQueue两个方法，如下：

 1 public class Queue {
 2     private int m_Capacity;
 3     private int m_Count;
 4     private int[] m_arrValue;
 5     
 6     public Queue(int capacity)
 7     {
 8         m_Capacity = capacity;
 9         m_arrValue = new int[capacity];
10         set_Count(0);
11     }
12     
13     public void enQueue(int value)
14     {
15         if (get_Count() == m_Capacity)
16         {
17             System.out.println("Need to malloc more space for queue.");
18             int[] temp = new int[m_Capacity*2];
19             for(int i = 0; i < m_Capacity; i++)
20             {
21                 temp[i] = m_arrValue[i];
22             }
23             m_arrValue = temp;
24             m_Capacity = m_Capacity*2;
25             System.out.println("The capacity of queue is " + m_Capacity);
26         }
27         set_Count(get_Count() + 1);
28         m_arrValue[get_Count() - 1] = value;
29     }
30     
31     public int deQueue()
32     {
33         if(get_Count() == 0)
34         {
35             System.out.println("The queue is empty.");
36             return Integer.MIN_VALUE;
37         }
38         int result = m_arrValue[0];
39         for (int i = 1; i < get_Count(); i++)
40         {
41             m_arrValue[ i - 1] = m_arrValue[i];
42         }
43         set_Count(get_Count() - 1);
44         return result;
45     }
46 
47     private void set_Count(int m_Count) {
48         this.m_Count = m_Count;
49     }
50 
51     public int get_Count() {
52         return m_Count;
53     }
54 }

　　下面，我们来看和这两种数据类型相关的题目。

设计含有min函数的栈，要求min、push和pop的时间复杂度是O（1）。思路：使用一个栈来实现上述要求，在栈顶保存min（）值，每次Push或者Pop，向栈操作两次，第一次针对min，第二次是实际的值，这样我们可以使用Peek方法来取得min值。

 1 public class NewStack {
 2     private int[] m_arrValue = null;
 3     private int m_Capacity;
 4     private int m_Count;
 5     
 6     public NewStack(int capacity)
 7     {
 8         m_arrValue = new int[2*capacity];
 9         m_Capacity = 2*capacity;
10         m_Count = 0;
11     }
12     
13     public void push(int value)
14     {
15         if (m_Count * 2 + 2 > m_Capacity)
16         {
17             System.out.println("Need to malloc more space for stack.");
18             int[] temp = new int[m_Capacity*2];
19             for(int i = 0; i < m_Capacity; i++)
20             {
21                 temp[i] = m_arrValue[i];
22             }
23             m_arrValue = temp;
24             m_Capacity = m_Capacity*2;
25             System.out.println("The capacity of stack is " + m_Capacity/2);
26         }
27         int min = Integer.MAX_VALUE;
28         if (m_Count > 0)
29         {
30             min = m_arrValue[2*m_Count - 1];
31         }        
32         m_Count++;
33         m_arrValue[2*m_Count -2] = value;
34         m_arrValue[2*m_Count - 1] = min < value ? min : value;
35     }
36     
37     public int peek()
38     {
39         if (m_Count == 0)
40         {
41             System.out.println("stack is empty.");
42             return Integer.MIN_VALUE;
43         }
44         return m_arrValue[2*m_Count - 2];
45     }
46     
47     public int min()
48     {
49         if (m_Count == 0)
50         {
51             System.out.println("stack is empty.");
52             return Integer.MIN_VALUE;
53         }
54         return m_arrValue[2*m_Count - 1];
55     }
56     
57     public int pop()
58     {
59         if (m_Count == 0)
60         {
61             System.out.println("stack is empty.");
62             return Integer.MIN_VALUE;
63         }
64         int result = m_arrValue[2*m_Count - 2];
65         m_Count--;
66         return result;
67     }
68 
69     public void set_Count(int m_Count) {
70         this.m_Count = m_Count;
71     }
72 
73     public int get_Count() {
74         return m_Count;
75     }
76 }

上述代码是从头开始实现的栈，包括对存储结构的处理细节，我们可以看上面关于Stack的定义，其实已经包括了这些细节，因此我们可以直接拿来用，代码会更清晰。

 1 public class NewStack2 {
 2     private Stack stack;
 3     
 4     public NewStack2(int capacity)
 5     {
 6         stack = new Stack(capacity*2);
 7     }
 8     
 9     public void push(int value)
10     {
11         if(stack.get_Count() == 0)
12         {
13             stack.push(value);
14             stack.push(value);
15         }
16         else
17         {
18             int min = stack.peek();
19             stack.push(value);
20             stack.push(value > min ? min : value);
21         }
22     }
23     
24     public int min()
25     {
26         return stack.peek();
27     }
28     
29     public int pop()
30     {
31         stack.pop();
32         return stack.pop();
33     }
34     
35     public int get_Count()
36     {
37         return stack.get_Count()/2;
38     }
39 }

用两个栈实现一个队列思路：两个栈一个作为入值栈，一个作为出值栈，当执行Push操作时，将值压入入值栈，当执行Pop或者Peek操作时，取出值栈的栈顶元素，当出值栈为空时，需要将入值栈的元素依次压入出值栈。

 1 public class NewQueue {
 2     private Stack inStack;
 3     private Stack outStack;
 4     
 5     public NewQueue(int capacity)
 6     {
 7         inStack = new Stack(capacity);
 8         outStack = new Stack(capacity);
 9     }
10     
11     public void enQueue(int value)
12     {
13         inStack.push(value);
14     }
15     
16     public int deQueue()
17     {
18         if(inStack.get_Count() == 0 && outStack.get_Count() == 0)
19         {
20             System.out.println("The queue is empty.");
21             return Integer.MIN_VALUE;
22         }
23         if (outStack.get_Count() == 0)
24         {
25             while(inStack.get_Count() > 0)
26             {
27                 outStack.push(inStack.pop());
28             }
29         }
30         return outStack.pop();
31     }
32     
33     public int get_Count()
34     {
35         return inStack.get_Count() + outStack.get_Count();
36     }
37 }

用两个队列实现一个栈思路：根据“后进先出”和“先进后出”的特点，在运行过程中，其中一个队列应该一直为空，对于push操作，将值放到非空队列中，当进行Push或者Pop操作时，先将非空队列全部导入空队列，然后此时的非空队列的头元素就是我们期望的元素。

 1 public class NewStack3 {
 2 
 3     private Queue queue1;
 4     private Queue queue2;
 5     
 6     public NewStack3(int capacity)
 7     {
 8         queue1 = new Queue(capacity);
 9         queue2 = new Queue(capacity);
10     }
11     
12     public void push(int value)
13     {
14         if (queue1.get_Count() == 0)
15         {
16             queue2.enQueue(value);
17         }
18         else
19         {
20             queue1.enQueue(value);
21         }
22     }
23     
24     public int peek()
25     {
26         if (queue1.get_Count() == 0 && queue2.get_Count() == 0)
27         {
28             System.out.println("The stack is empty.");
29             return Integer.MIN_VALUE;
30         }
31         int result = Integer.MIN_VALUE;
32         if (queue1.get_Count() > 0 && queue2.get_Count() == 0)
33         {
34             while(queue1.get_Count() > 1)
35             {
36                 queue2.enQueue(queue1.deQueue());
37             }
38             result = queue1.deQueue();
39             queue2.enQueue(result);
40         }
41         else if (queue1.get_Count() == 0 && queue2.get_Count() > 0)
42         {
43             while(queue2.get_Count() > 1)
44             {
45                 queue1.enQueue(queue2.deQueue());
46             }
47             result = queue2.deQueue();
48             queue1.enQueue(result);
49         }
50         
51         return result;
52     }
53     
54     public int pop()
55     {
56         if (queue1.get_Count() == 0 && queue2.get_Count() == 0)
57         {
58             System.out.println("The stack is empty.");
59             return Integer.MIN_VALUE;
60         }
61         int result = Integer.MIN_VALUE;
62         if (queue1.get_Count() > 0 && queue2.get_Count() == 0)
63         {
64             while(queue1.get_Count() > 1)
65             {
66                 queue2.enQueue(queue1.deQueue());
67             }
68             result = queue1.deQueue();
69         }
70         else if (queue1.get_Count() == 0 && queue2.get_Count() > 0)
71         {
72             while(queue2.get_Count() > 1)
73             {
74                 queue1.enQueue(queue2.deQueue());
75             }
76             result = queue2.deQueue();
77         }
78         
79         return result;
80     }
81     
82     public int get_Count()
83     {
84         return queue1.get_Count() + queue2.get_Count();
85     }
86 }

递归反转一个栈，要求不能重建一个新栈，空间复杂度为O(1)。思路：参考汉诺塔的递归思路。

 1 public static void Reverse(Stack stack)
 2 {
 3     if (stack.get_Count() == 0)
 4     {
 5         return;
 6     }
 7     int value1 = stack.pop();
 8     Reverse(stack);
 9     if (stack.get_Count() == 0)
10     {
11         stack.push(value1);
12         return;
13     }
14     int value2 = stack.pop();
15     Reverse(stack);
16     stack.push(value1);
17     Reverse(stack);
18     stack.push(value2);
19 }

对栈进行排序思路：依旧采取递归的套路

 1 public static void sort(Stack stack)
 2 {
 3     if (stack.get_Count() == 0)
 4     {
 5         return;
 6     }
 7     int value1 = stack.pop();
 8     sort(stack);
 9     if (stack.get_Count() == 0)
10     {
11         stack.push(value1);
12         return;
13     }
14     int value2 = stack.pop();
15     if (value1 > value2)
16     {
17         stack.push(value1);
18         sort(stack);
19         stack.push(value2);
20     }
21     else
22     {
23         stack.push(value2);
24         sort(stack);
25         stack.push(value1);
26     }
27 }

判断栈的push、pop序列是否一致思路：创建一个新栈，依次将push队列中的值压入，在压入过程中，判断pop队列，如果找到相同的值，执行stack.pop操作，以此类推，最终判断stack是否为空。

 1 public static boolean isMatch(int[] arrPush, int[] arrPop)
 2 {
 3     if (arrPush == null || arrPop == null || arrPush.length != arrPop.length)
 4     {
 5         return false;
 6     }
 7     Stack stack = new Stack(arrPush.length);        
 8     for(int i = 0, j = 0; i < arrPush.length; i++)
 9     {
10         stack.push(arrPush[i]);
11         while(j < arrPop.length)
12         {
13             if (stack.peek() == arrPop[j])
14             {
15                 stack.pop();
16                 j++;
17             }
18             else
19             {
20                 break;
21             }
22         }
23     }
24     
25     return stack.get_Count() == 0;
26 }

如何用一个数组实现两个栈思路：用0、2、4、6……表示第一个栈的元素，用1、3、5、7表示第二个栈的元素

  1 public class NewStack4 {
  2     private int[] arrValue;
  3     private int capacity;
  4     private int m_Count1;
  5     private int m_Count2;
  6     
  7     public NewStack4(int capacity)
  8     {
  9         arrValue = new int[capacity];
 10         this.capacity = capacity;
 11         m_Count1 = 0;
 12         m_Count2 = 0;
 13     }
 14     
 15     public void push(int value, int type)
 16     {
 17         boolean bExtend = false;
 18         if (type == 1)
 19         {
 20             if (m_Count1 * 2 + 1 >= capacity)
 21             {
 22                 bExtend = true;
 23             }
 24         }
 25         if (type == 2)
 26         {
 27             if (m_Count2 * 2 + 2 >= capacity)
 28             {
 29                 bExtend=true;
 30             }
 31         }
 32         if (bExtend)
 33         {
 34             int[] temp = new int[capacity*2];
 35             capacity = capacity*2;
 36             for(int i = 0; i < arrValue.length; i++)
 37             {
 38                 temp[i] = arrValue[i];
 39             }
 40             arrValue = temp;
 41         }
 42         
 43         if (type == 1)
 44         {
 45             m_Count1++;
 46             arrValue[m_Count1*2 - 1] = value;
 47         }
 48         
 49         if (type == 2)
 50         {
 51             m_Count2++;
 52             arrValue[m_Count2*2] = value;
 53         }
 54     }
 55     
 56     public int peek(int type)
 57     {
 58         if (type == 1)
 59         {
 60             if (m_Count1 == 0)
 61             {
 62                 System.out.println("Stack 1 is empty.");
 63                 return Integer.MIN_VALUE;
 64             }
 65             else
 66             {
 67                 return arrValue[m_Count1*2 - 1];
 68             }
 69         }        
 70         if (type == 2)
 71         {
 72             if (m_Count2 == 0)
 73             {
 74                 System.out.println("Stack 1 is empty.");
 75                 return Integer.MIN_VALUE;
 76             }
 77             else
 78             {
 79                 return arrValue[m_Count2*2];
 80             }
 81         }
 82         
 83         return Integer.MIN_VALUE;
 84     }
 85     
 86     public int pop(int type)
 87     {
 88         if (type == 1)
 89         {
 90             if (m_Count1 == 0)
 91             {
 92                 System.out.println("Stack 1 is empty.");
 93                 return Integer.MIN_VALUE;
 94             }
 95             else
 96             {
 97                 int result = arrValue[m_Count1*2 - 1];
 98                 m_Count1--;
 99                 return result;
100             }
101         }        
102         if (type == 2)
103         {
104             if (m_Count2 == 0)
105             {
106                 System.out.println("Stack 1 is empty.");
107                 return Integer.MIN_VALUE;
108             }
109             else
110             {
111                 int result =arrValue[m_Count2*2];
112                 m_Count2--;
113                 return result;
114             }
115         }
116         
117         return Integer.MIN_VALUE;
118     }
119     
120     public int get_Count(int type)
121     {
122         if (type == 1)
123         {
124             return m_Count1;
125         }
126         else if (type == 2)
127         {
128             return m_Count2;
129         }
130         return Integer.MIN_VALUE;
131     }
132     
133 }

这种方式在两个栈的容量接近时比较好，如果两个栈的容量相差很大，那么会浪费很多存储空间。针对这个问题的解决方法是用0、1、2、3……表示第一个栈，用n、n-1、n-2、n-3……表示第二个栈，代码实现类似，这种情况下也可以对数组进行扩容。

　　最后，欢迎大家提出更多相关的面试题目，我们可以一起讨论。

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原文地址：https://www.cnblogs.com/Free-Thinker/p/3444635.html