【每天一題】劍指 Offer 09. 用兩個棧實現隊列

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 )

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]

讀懂題目：很多人一看見示例 就蒙了，看半天沒看明白，這是什麼東西，下面來講一下題意

示例 1：
輸入： ["CQueue","appendTail","deleteHead","deleteHead"] 這裏是要執行的方法，從左到右執行

[[],[3],[],[-1]]對應上面的方法，是上面方法的參數。CQueue和deleteHead方法不需要指定數字，只有添加才需要指定數字

1.CQueue創建隊列，返回值爲null

2.appendTail將3壓入棧，返回值爲null

3.deleteHead將棧底的元素刪除，也就是消息隊列中先進來的元素，所以是deleteHead，返回該元素的數值，所以爲3

4.deleteHead繼續刪除棧底的元素，但是沒有元素了，所以返回-1


所以就有了下面的輸出 輸出：[null,null,3,-1]

示例 2：

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

1.創建隊列，返回值爲null

2.刪除棧底的元素，但是沒有元素，所以返回-1

3.把5壓入棧，返回null

4.把2壓入棧，返回null

5.刪除棧底的一個元素，也就是消息隊列中先進來的元素，所以是deleteHead，就是最先進來的5，返回值爲5，

6.刪除棧底的一個元素，就是後進來的2，返回值爲2，

所以就有了下面的輸出

輸出：[null,-1,null,null,5,2]

解題思路

維護兩個棧，第一個棧支持插入操作，第二個棧支持刪除操作。
根據棧先進後出的特性，我們每次往第一個棧裏插入元素後，第一個棧的底部元素是最後插入的元素，第一個棧的頂部元素是下一個待刪除的元素。爲了維護隊列先進先出的特性，我們引入第二個棧，用第二個棧維護待刪除的元素，在執行刪除操作的時候我們首先看下第二個棧是否爲空。如果爲空，我們將第一個棧裏的元素一個個彈出插入到第二個棧裏，這樣第二個棧裏元素的順序就是待刪除的元素的順序，要執行刪除操作的時候我們直接彈出第二個棧的元素返回即可

僞代碼

成員變量
	維護兩個棧 stack1 和 stack2，其中 stack1 支持插入操作，stack2 支持刪除操作
構造方法
	初始化 stack1 和 stack2 爲空
插入元素
	插入元素對應方法 appendTail
	stack1 直接插入元素
刪除元素
	刪除元素對應方法 deleteHead
	如果 stack2 爲空，則將 stack1 裏的所有元素彈出插入到 stack2 裏
	如果 stack2 仍爲空，則返回 -1，否則從 stack2 彈出一個元素並返回

class CQueue {
    Deque<Integer> stack1;
    Deque<Integer> stack2;
    
    public CQueue() {
        stack1 = new LinkedList<Integer>();
        stack2 = new LinkedList<Integer>();
    }
    
    public void appendTail(int value) {
        stack1.push(value);
    }
    
    public int deleteHead() {
        // 如果第二個棧爲空
        if (stack2.isEmpty()) {
            while (!stack1.isEmpty()) {
                stack2.push(stack1.pop());
            }
        } 
        if (stack2.isEmpty()) {
            return -1;
        } else {
            int deleteItem = stack2.pop();
            return deleteItem;
        }
    }
}

複雜度分析
時間複雜度：對於插入和刪除操作，時間複雜度均爲 O(1)。插入不多說，對於刪除操作，雖然看起來是 O(n) 的時間複雜度，但是仔細考慮下每個元素只會「至多被插入和彈出 stack2 一次」，因此均攤下來每個元素被刪除的時間複雜度仍爲 O(1)。
空間複雜度：O(n)。需要使用兩個棧存儲已有的元素。

優化代碼：
如果你使用Stack的方式來做這道題，會造成速度較慢； 原因的話是Stack繼承了Vector接口，而Vector底層是一個Object[]數組，那麼就要考慮空間擴容和移位的問題了。 可以使用LinkedList來做Stack的容器，因爲LinkedList實現了Deque接口，所以Stack能做的事LinkedList都能做，其本身結構是個雙向鏈表，擴容消耗少。 但是我的意思不是像100%代碼那樣直接使用一個LinkedList當做隊列，那確實是快，但是不符題意。 貼上代碼，這樣的優化之後，效率提高了40%，超過97%。

class CQueue {
    LinkedList<Integer> stack1;
	LinkedList<Integer> stack2;
    
    public CQueue() {
        stack1 = new LinkedList<Integer>();
        stack2 = new LinkedList<Integer>();
    }
    
    public void appendTail(int value) {
        stack1.push(value);
    }
    
    public int deleteHead() {
        // 如果第二個棧爲空
        if (stack2.isEmpty()) {
            while (!stack1.isEmpty()) {
                stack2.push(stack1.pop());
            }
        } 
        if (stack2.isEmpty()) {
            return -1;
        } else {
            int deleteItem = stack2.pop();
            return deleteItem;
        }
    }
}