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用栈实现队列

用栈实现队列

作者: 小王子特洛伊 | 来源:发表于2019-10-14 06:53 被阅读0次

    使用栈实现队列的下列操作:
    push(x) -- 将一个元素放入队列的尾部。
    pop() -- 从队列首部移除元素。
    peek() -- 返回队列首部的元素。
    empty() -- 返回队列是否为空。
    示例:
    MyQueue queue = new MyQueue();
    queue.push(1);
    queue.push(2);
    queue.peek(); // 返回 1
    queue.pop(); // 返回 1
    queue.empty(); // 返回 false
    说明:
    你只能使用标准的栈操作 -- 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size, 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。
    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)。

    解法 1

    利用两个栈,分别为输入栈和输出栈,队列的输入元素全部压入输入栈,当队列弹出或查看元素时,若输出栈为空,则将输入栈全部压入输出栈,此时已完成所有元素的倒序排列,返回输出栈的栈顶元素即可;若输出栈不为空,则直接返回输出栈的栈顶元素。

    from collections import deque
    
    
    class MyQueue:
    
        def __init__(self):
            """
            Initialize your data structure here.
            """
            self.input_stack = deque()
            self.output_stack = deque()
    
        def push(self, x: int) -> None:
            """
            Push element x to the back of queue.
            """
            self.input_stack.append(x)
    
        def pop(self) -> int:
            """
            Removes the element from in front of queue and returns that element.
            """
            if not self.output_stack:
                while not self.input_stack:
                    self.output_stack.append(self.input_stack.pop())
            return self.output_stack.pop()
    
        def peek(self) -> int:
            """
            Get the front element.
            """
            if not self.output_stack:
                while not self.input_stack:
                    self.output_stack.append(self.input_stack.pop())
            if not self.output_stack:
                return None
            return self.output_stack.__getitem__(-1)
    
        def empty(self) -> bool:
            """
            Returns whether the queue is empty.
            """
            return not self.input_stack and not self.output_stack
    

    执行用时 :40 ms
    内存消耗 :13.7 MB

    时间复杂度:每个完成入队、出队的元素平均经历两次压入栈,两次弹出栈,时间复杂度都为 O(1),取队首元素、判断空则对应栈的索引和判断空操作,时间复杂度也都为 O(1)
    空间复杂度:入队、出队操作需要分别使用输入和输出两个栈,所以空间复杂度为 O(n),取队首元素、判断空操作的空间复杂度为 O(1)

    解法 2

    利用两个栈,分别为存储栈和过渡栈,队列输入元素时,提前将存储栈元素全部压入过渡栈,然后输入元素压入存储栈,再将过渡栈元素全部弹出并放回存储栈,这样就将新元素排列了到栈底,实现了队列先入后出的效果。

    from collections import deque
    
    
    class MyQueue:
    
        def __init__(self):
            """
            Initialize your data structure here.
            """
            self.store_stack = deque()
            self.tmp_stack = deque()
    
        def push(self, x: int) -> None:
            """
            Push element x to the back of queue.
            """
            while self.store_stack:
                self.tmp_stack.append(self.store_stack.pop())
            self.store_stack.append(x)
            while self.tmp_stack:
                self.store_stack.append(self.tmp_stack.pop())
    
        def pop(self) -> int:
            """
            Removes the element from in front of queue and returns that element.
            """
            return self.store_stack.pop()
    
        def peek(self) -> int:
            """
            Get the front element.
            """
            if not self.store_stack:
                return None
            return self.store_stack.__getitem__(-1)
    
        def empty(self) -> bool:
            """
            Returns whether the queue is empty.
            """
            return not self.store_stack
    

    执行用时 :40 ms
    内存消耗 :13.7 MB

    时间复杂度:每个完成入队的元素平均经历三次压入栈,两次弹出栈,时间复杂度为 O(n),出队、取队首元素、判断空则对应栈的弹出、索引和判断空操作,时间复杂度都为 O(1)
    空间复杂度:入队操作需要使用过渡栈,所以空间复杂度为 O(n),出队、取队首元素、判断空操作的空间复杂度为 O(1)

    注:解法 2 将主要工作放在了入队步骤,而解法 1 则将工作分摊在入队和出队两个步骤,平均性能更好。

    参考

    https://leetcode-cn.com/problems/implement-queue-using-stacks/

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