题目

请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作(pushpoppeekempty):

实现 MyQueue 类:

  • void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
  • int pop() 从队列的开头移除并返回元素
  • int peek() 返回队列开头的元素
  • boolean empty() 如果队列为空,返回 true ;否则,返回 false

说明:

  • 你 只能 使用标准的栈操作 —— 也就是只有 push to toppeek/pop from topsize, 和 is empty 操作是合法的。
  • 你所使用的语言也许不支持栈。你可以使用 list 或者 deque(双端队列)来模拟一个栈,只要是标准的栈操作即可。

示例 1:

输入:

["MyQueue", "push", "push", "peek", "pop", "empty"]
[[], [1], [2], [], [], []]

输出:

[null, null, null, 1, 1, false]

解释:

MyQueue myQueue = new MyQueue();
myQueue.push(1); // queue is: [1]
myQueue.push(2); // queue is: [1, 2] (leftmost is front of the queue)
myQueue.peek(); // return 1
myQueue.pop(); // return 1, queue is [2]
myQueue.empty(); // return false

提示:

  • 1 <= x <= 9
  • 最多调用 100 次 pushpoppeek 和 empty
  • 假设所有操作都是有效的 (例如,一个空的队列不会调用 pop 或者 peek 操作)

进阶:

  • 你能否实现每个操作均摊时间复杂度为 O(1) 的队列?换句话说,执行 n 个操作的总时间复杂度为 O(n) ,即使其中一个操作可能花费较长时间。

分析

队列是先进先出
栈是先进后出
那么有两个栈的时候,如果只往一个栈按顺序插入数据,那么数据将是倒序取出的。
相当于使用栈的时候,将能获得倒序的数据,
而使用两个栈的话,相当于倒序两次,就变成了正序,也就能正序像队列一样取出数据。

也就是说可以始终保持数据在第一个栈,只往第一个栈插入数据。
然后如果想取出数据的时候,把第一个栈的数据往第二个栈迁移,这样从第二个栈取出数据的时候,因为入了两次栈,相当于倒序两次,也就变成了正序,先进先出,也就实现了模拟队列功能。

代码

#include <stack>
 
class MyQueue {
public:
    MyQueue()
    {
    }
 
    void push(int x)
    {
        while (!m_s2.empty()) {
            int p = m_s2.top();
            m_s1.push(p);
            m_s2.pop();
        }
 
        m_s1.push(x);
    }
 
    int pop()
    {
        int p = 0;
        while (!m_s1.empty()) {
            p = m_s1.top();
            m_s2.push(p);
            m_s1.pop();
        }
        p = m_s2.top();
        m_s2.pop();
 
        return p;
    }
 
    int peek()
    {
        int p = 0;
        while (!m_s1.empty()) {
            p = m_s1.top();
            m_s2.push(p);
            m_s1.pop();
        }
        p = m_s2.top();
 
        return p;
    }
 
    bool empty()
    {
        return m_s1.empty() && m_s2.empty();
    }
 
private:
    std::stack<int> m_s1;
    std::stack<int> m_s2;
};
 
#ifdef __TEST__
 
#include <iostream>
 
int main(int argc, char* argv[])
{
    int p = 0;
    MyQueue* myQueue = new MyQueue();
    myQueue->push(1); // queue is: [1]
    myQueue->push(2); // queue is: [1, 2] (leftmost is front of the queue)
    
    p = myQueue->peek(); // return 1
    std::cout << "peek: " << p << std::endl;
    p = myQueue->pop(); // return 1, queue is [2]
    std::cout << "pop: " << p << std::endl;
    bool b = myQueue->empty(); // return false
    std::cout << "empty: " << b << std::endl;
 
    delete myQueue;
 
    return 0;
}
 
#endif //__TEST__

均摊代码

代码中,使用两个栈进行了多次倒腾操作,目的是为了保障数据取出的顺序始终是正序的,如果能在操作中始终保持顺序是正序,那么就不需要进行那么多次倒腾。
比如首次往 stack1 通过 push 插入 1 2 3 4 的时候,

        +出口/入口
        |
        v         
stack1  4 3 2 1
stack2  

这时候想要取出数据,则需要将 stack1 数据转移到 stack2 ,然后再从 stack2 中取出顺序数据。
这时候如果保持 stack2 中的数据顺序不变,那么继续从 stack2 中取出的话,数据始终是正序的。
如果想要继续插入数据的话,只需要继续往 stack1 插入即可,比如继续插入 5 6 7 如下:

        +出口/入口
        |
        v         
stack1  7 6 5
stack2  1 2 3 4

为了保障数据始终是正序的,取出数据的时候,需要判断 stack2 是否为空,非空的时候直接取出数据,空的时候再重新从 stack1 中搬数据,这样就能保证数据始终是正序的。

考虑到倒腾的操作不是每次都会执行,而是只在输出栈 stack2 为空的时候才执行,当不需要进行倒腾操作的时候,时间复杂度为,考虑到倒腾操作只占取出操作的一部分,因此相当于 pop 和 peek 的取出操作中的倒腾操作 被均摊到了 (非倒腾取出操作)中。

#include <stack>
 
class MyQueue {
public:
    MyQueue()
    {
    }
 
    void push(int x)
    {
        m_s1.push(x);
    }
 
    int pop()
    {
        int p = 0;
        if (m_s2.empty()) {
            while (!m_s1.empty()) {
                p = m_s1.top();
                m_s2.push(p);
                m_s1.pop();
            }
        }
        p = m_s2.top();
        m_s2.pop();
 
        return p;
    }
 
    int peek()
    {
        int p = 0;
        if (m_s2.empty()) {
            while (!m_s1.empty()) {
                p = m_s1.top();
                m_s2.push(p);
                m_s1.pop();
            }
        }
        p = m_s2.top();
 
        return p;
    }
 
    bool empty()
    {
        return m_s1.empty() && m_s2.empty();
    }
 
private:
    std::stack<int> m_s1;
    std::stack<int> m_s2;
};
 
#ifdef __TEST__
 
#include <iostream>
 
 
int main(int argc, char* argv[])
{
    int p = 0;
    MyQueue* myQueue = new MyQueue();
    myQueue->push(1); // queue is: [1]
    myQueue->push(2); // queue is: [1, 2] (leftmost is front of the queue)
    
    p = myQueue->peek(); // return 1
    std::cout << "peek: " << p << std::endl;
    p = myQueue->pop(); // return 1, queue is [2]
    std::cout << "pop: " << p << std::endl;
    bool b = myQueue->empty(); // return false
    std::cout << "empty: " << b << std::endl;
 
    delete myQueue;
 
    return 0;
}
 
#endif //__TEST__

*****