【劍指 Offer】09. 用兩個棧實現隊列

問題描述

用兩個棧實現一個隊列。隊列的聲明如下，請實現它的兩個函數 appendTail 和 deleteHead ，分別完成在隊列尾部插入整數和在隊列頭部刪除整數的功能。(若隊列中沒有元素，deleteHead 操作返回 -1 )。

其中：

• 1 <= values <= 10000
• 最多會對 appendTail、deleteHead 進行 10000 次調用

示例 1：

輸入：
["CQueue","appendTail","deleteHead","deleteHead"]
[[],[3],[],[]]

輸出：[null,null,3,-1]


示例 2：

輸入：
["CQueue","deleteHead","appendTail","appendTail","deleteHead","deleteHead"]
[[],[],[5],[2],[],[]]

輸出：[null,-1,null,null,5,2]

 

Java 實現

用兩個棧實現一個隊列的功能，即通過兩個先入後出（FILO）實現一個先入先出（FIFO），我們可以用一個棧支持插入操作，另一個棧實現刪除操作。

具體的操作爲：當我們每一次執行插入元素時，直接往第一個棧 stack1 插入元素，根據棧的結構特性，棧底是第一個插入也是下一個待刪除的元素，棧頂是最後插入的元素。當我們想執行刪除操作時，需要將 stack1 的元素依次取出，取到最後才能訪問到該刪除的元素，但同時我們也想保持元素插入的順序，這時就可以用上第二個棧 stack2。假設第一次執行刪除時，stack2位空，則先把 stack1 的元素依次彈出並插入到 stack2 中，直至 stack1完全清空，此時 stack2 的棧頂即爲下一個待刪除的元素，直至棧底依次爲接下來待刪除的元素。此後，每次執行刪除操作只需從 stack2 彈出元素即可。

當 stack2 棧內存在元素的時候，刪除與插入操作分別對 stack2 與 stack1進行操作，且兩個棧之間相互獨立。即刪除操作只在 stack2 進行，插入操作只在 stack1 進行。在 stack2 清空之前，stack1 維持後一批插入的元素及其插入順序。每次當且僅當 stack2 爲空，且需要進行刪除操作時，才從 stack1 向 stack2 轉移數據。如果轉移後 stack2 仍爲空，即此時無元素存在，則返回 -1。

class CQueue {
    private Stack<Integer> stack1;
    private Stack<Integer> stack2;

    public CQueue() {
        stack1 = new Stack<>();
        stack2 = new Stack<>();
    }
    
    public void appendTail(int value) {
        stack1.push(value);
    }
    
    public int deleteHead() {
        if (!stack2.isEmpty()) {
            return stack2.pop();
        } else {
            while (!stack1.isEmpty()) {
                stack2.push(stack1.pop());
            }
            if (stack2.isEmpty()) {
                return -1;
            } else {
                return stack2.pop();
            }
        }
    }
}

複雜度分析

• 空間複雜度：維護兩個棧進行存儲，因此爲 O(n)。
• 時間複雜度：插入操作，明顯爲 O(1)。刪除操作看似爲 O(n)，但經過仔細考慮會發現，每次執行刪除時只從 stack2 彈出一次，即便 stack2 爲空，需要從 stack1 將所有元素都轉移一遍，但這個過程同樣被均攤到每一個元素的插入和彈出過程中，因此刪除操作的時間複雜度爲 O(1)。