用队列实现栈

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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

进阶：你能否仅用一个队列来实现栈。

代码结果

运行时间: 16 ms, 内存: 16.2 MB

/*
* 思路：
* 使用两个队列 q1 和 q2 实现栈的功能。q1 用于存储当前的元素，q2 用于临时存储
* push 操作：将元素添加到 q1
* pop 操作：将 q1 中的元素依次移动到 q2，直到 q1 中只剩一个元素，然后弹出最后一个元素。交换 q1 和 q2 的引用
* top 操作：类似于 pop 操作，但不删除最后一个元素
* empty 操作：检查 q1 是否为空
* 使用 Stream API 简化部分操作
*/
 
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.stream.IntStream;
 
public class MyStackStream {
    private Queue<Integer> q1;
    private Queue<Integer> q2;
 
    public MyStackStream() {
        q1 = new LinkedList<>();
        q2 = new LinkedList<>();
    }
 
    public void push(int x) {
        q1.add(x);
    }
 
    public int pop() {
        IntStream.range(0, q1.size() - 1).forEach(i -> q2.add(q1.remove()));
        int topElement = q1.remove();
        Queue<Integer> temp = q1;
        q1 = q2;
        q2 = temp;
        return topElement;
    }
 
    public int top() {
        IntStream.range(0, q1.size() - 1).forEach(i -> q2.add(q1.remove()));
        int topElement = q1.peek();
        q2.add(q1.remove());
        Queue<Integer> temp = q1;
        q1 = q2;
        q2 = temp;
        return topElement;
    }
 
    public boolean empty() {
        return q1.isEmpty();
    }
}

解释

方法:

该题解使用两个队列q1和q2来模拟栈的操作。push操作时，新元素总是被添加到q2中，然后将q1中所有元素依次出队并添加到q2，最后交换q1和q2。这样做使得q1始终保持栈的顺序，最后入队的元素在队首。pop和top操作直接对q1进行，分别通过popleft()和访问下标0实现。empty操作判断q1是否为空即可。

时间复杂度:

O(n)

空间复杂度:

O(n)

代码细节讲解

🦆

为什么在`push`操作中要将所有元素从`q1`移动到`q2`，然后再交换`q1`和`q2`？这样做的具体目的是什么？

▷

在`push`操作中，将所有元素从`q1`移动到`q2`，然后交换`q1`和`q2`的目的是为了保持栈的后入先出（LIFO）特性。通过将新元素加入空的`q2`，然后把`q1`的元素依次加到`q2`，新元素就位于`q1`（经过交换后）的队首，这样就模拟了栈的顶部。即使队列是先入先出（FIFO）的，通过这种方式可以使得最后入队的元素在队首，从而实现栈的操作特性。

🦆

题解中提到的`pop`操作直接返回`q1`的队首元素，这是否意味着每次`pop`操作后都需要进行额外的处理以保持栈的后入先出特性？

▷

在这种实现中，`pop`操作不需要额外的处理来保持栈的后入先出特性。这是因为在`push`操作中已经通过元素的重新排列（移动到`q2`然后交换队列）保证了栈顶元素始终位于`q1`的队首。因此，每次`pop`操作只需要移除并返回`q1`的队首元素，这个元素就是最后被推入栈的元素。

🦆

在`top`和`pop`操作中，如何处理`q1`为空的情况？题解中是否应该包含对空栈操作的异常处理？

▷

在`top`和`pop`操作中，如果`q1`为空，则表明栈内没有元素可供操作，这种情况下应该处理空栈的异常。在实际应用中，可以在进行这些操作前添加检查，如果`q1`为空，可以抛出异常或返回一个特定的错误值。这确保了方法的健壮性，防止对空栈执行无效操作。

🦆

为什么选择用两个队列来实现栈的功能？是否有可能只使用一个队列来完成同样的任务？

▷

选择使用两个队列来实现栈的功能是为了简化每次`push`操作时的元素重排过程。使用两个队列可以明确地将新元素放在队列的前端，模拟栈顶。尽管也可以使用一个队列来实现栈，这通常需要更复杂的操作来维护后入先出的顺序，例如在插入每个新元素时通过循环将队列的元素重新排列到队尾，使新元素可以位于队首。但这种方法在操作上更为复杂且可能效率较低。

相关问题

用栈实现队列

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（push、pop、peek、empty）：

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 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。

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 push、pop、peek 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。

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