栈与队列

2024-05-16

栈与队列理论基础

栈和队列是 STL(C++标准库)的两个数据结构

STL 三个最常见版本
  1. HP STL: 其他版本的 C++ STL,一般是以 HP STL 为蓝本实现出来的,HP STL 是 C++ STL 的第一个实现版本,而且开放源代码。
  2. P.J.Plauger STL 由 P.J.Plauger 参照 HP STL 实现出来的,被 Visual C++编译器所采用,不是开源的。
  3. SGI STL 由 Silicon Graphics Computer Systems 公司参照 HP STL 实现,被 Linux 的 C++编译器 GCC 所采用,SGI STL 是开源软件,源码可读性甚高。
栈在 STL 中的实现

栈提供 push 和 pop 等等接口,所有元素必须符合先进后出规则,所以栈不提供走访功能,也不提供迭代器(iterator)。 不像是 set 或者 map 提供迭代器 iterator 来遍历所有元素。

栈是以底层容器完成其所有的工作,对外提供统一的接口,底层容器是可插拔的(也就是说我们可以控制使用哪种容器来实现栈的功能)。

所以 STL 中栈往往不被归类为容器,而被归类为 container adapter(容器适配器)。

栈的底层实现可以是 vector,deque,list 都是可以的, 主要就是数组和链表的底层实现。我们常用的 SGI STL,如果没有指定底层实现的话,默认是以 deque 为缺省情况下栈的底层结构。

deque 是一个双向队列,只要封住一段,只开通另一端就可以实现栈的逻辑了。

栈与队列理论3

std::stack<int, std::vector<int> > third;  // 使用vector为底层容器的栈
队列在 STL 中的实现

队列中先进先出的数据结构,同样不允许有遍历行为,不提供迭代器, SGI STL 中队列一样是以 deque 为缺省情况下的底部结构。

std::queue<int, std::list<int>> third; // 定义以list为底层容器的队列

所以 STL 队列也不被归类为容器,而被归类为 container adapter( 容器适配器)。

232.用栈实现队列

题目: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

你只能使用标准的栈操作 -- 也就是只有 push to top, peek/pop from top, size,  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)。
class MyQueue {
public:
    stack<int> stIn;
    stack<int> stOut;
    /** Initialize your data structure here. */
    MyQueue() {

    }
    /** Push element x to the back of queue. */
    void push(int x) {
        stIn.push(x);
    }

    /** Removes the element from in front of queue and returns that element. */
    int pop() {
        // 只有当stOut为空的时候,再从stIn里导入数据(导入stIn全部数据)
        if (stOut.empty()) {
            // 从stIn导入数据直到stIn为空
            while(!stIn.empty()) {
                stOut.push(stIn.top());
                stIn.pop();
            }
        }
        int result = stOut.top();
        stOut.pop();
        return result;
    }

    /** Get the front element. */
    int peek() {
        int res = this->pop(); // 直接使用已有的pop函数
        stOut.push(res); // 因为pop函数弹出了元素res,所以再添加回去
        return res;
    }

    /** Returns whether the queue is empty. */
    bool empty() {
        return stIn.empty() && stOut.empty();
    }
};
时间复杂度: pushemptyO(1), poppeekO(n)
空间复杂度: O(n)

在工业级别代码开发中,最忌讳的就是 实现一个类似的函数,直接把代码粘过来改一改就完事了。

这样的项目代码会越来越乱,一定要懂得复用,功能相近的函数要抽象出来,不要大量的复制粘贴,很容易出问题!(踩过坑的人自然懂)

工作中如果发现某一个功能自己要经常用,同事们可能也会用到,自己就花点时间把这个功能抽象成一个好用的函数或者工具类,不仅自己方便,也方便了同事们。

同事们就会逐渐认可你的工作态度和工作能力,自己的口碑都是这么一点一点积累起来的!在同事圈里口碑起来了之后,你就发现自己走上了一个正循环,以后的升职加薪才少不了你!

225. 用队列实现栈

使用队列实现栈的下列操作:

push(x) -- 元素 x 入栈
pop() -- 移除栈顶元素
top() -- 获取栈顶元素
empty() -- 返回栈是否为空

注意:
你只能使用队列的基本操作-- 也就是 push to back, peek/pop from front, size, 和 is empty 这些操作是合法的。
你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list 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。
你可以假设所有操作都是有效的(例如, 对一个空的栈不会调用 pop 或者 top 操作)。

一个队列在模拟栈弹出元素的时候只要将队列头部的元素(除了最后一个元素外) 重新添加到队列尾部,此时再去弹出元素就是栈的顺序了。

class MyStack {
public:
    queue<int> que;
    /** Initialize your data structure here. */
    MyStack() {

    }
    /** Push element x onto stack. */
    void push(int x) {
        que.push(x);
    }
    /** Removes the element on top of the stack and returns that element. */
    int pop() {
        int size = que.size();
        size--;
        while (size--) { // 将队列头部的元素(除了最后一个元素外) 重新添加到队列尾部
            que.push(que.front());
            que.pop();
        }
        int result = que.front(); // 此时弹出的元素顺序就是栈的顺序了
        que.pop();
        return result;
    }

    /** Get the top element. */
    int top() {
        return que.back();
    }

    /** Returns whether the stack is empty. */
    bool empty() {
        return que.empty();
    }
};
时间复杂度: popO(n),其他为O(1)
空间复杂度: O(n)

20. 有效的括号

给定一个只包括 '(',')','{','}','[',']' 的字符串,判断字符串是否有效。

有效字符串需满足:
左括号必须用相同类型的右括号闭合。
左括号必须以正确的顺序闭合。
注意空字符串可被认为是有效字符串。

示例 1:
输入: "()"
输出: true

示例 2:
输入: "()[]{}"
输出: true
class Solution {
public:
    bool isValid(string s) {
        if (s.size() % 2 != 0) return false; // 如果s的长度为奇数,一定不符合要求
        stack<char> st;
        for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
            if (s[i] == '(') st.push(')');
            else if (s[i] == '{') st.push('}');
            else if (s[i] == '[') st.push(']');
            // 第三种情况:遍历字符串匹配的过程中,栈已经为空了,没有匹配的字符了,说明右括号没有找到对应的左括号 return false
            // 第二种情况:遍历字符串匹配的过程中,发现栈里没有我们要匹配的字符。所以return false
            else if (st.empty() || st.top() != s[i]) return false;
            else st.pop(); // st.top() 与 s[i]相等,栈弹出元素
        }
        // 第一种情况:此时我们已经遍历完了字符串,但是栈不为空,说明有相应的左括号没有右括号来匹配,所以return false,否则就return true
        return st.empty();
    }
};
时间复杂度: O(n)
空间复杂度: O(n)

1047. 删除字符串中的所有相邻重复项

给出由小写字母组成的字符串 S,重复项删除操作会选择两个相邻且相同的字母,并删除它们。
在 S 上反复执行重复项删除操作,直到无法继续删除。
在完成所有重复项删除操作后返回最终的字符串。答案保证唯一。

示例:
输入:"abbaca"
输出:"ca"
解释:例如,在 "abbaca" 中,我们可以删除 "bb" 由于两字母相邻且相同,这是此时唯一可以执行删除操作的重复项。之后我们得到字符串 "aaca",其中又只有 "aa" 可以执行重复项删除操作,所以最后的字符串为 "ca"。
提示:

1 <= S.length <= 20000
S 仅由小写英文字母组成。
class Solution {
public:
    string removeDuplicates(string S) {
        stack<char> st;
        for (char s : S) {
            if (st.empty() || s != st.top()) {
                st.push(s);
            } else {
                st.pop(); // s 与 st.top()相等的情况
            }
        }
        string result = "";
        while (!st.empty()) { // 将栈中元素放到result字符串汇总
            result += st.top();
            st.pop();
        }
        reverse (result.begin(), result.end()); // 此时字符串需要反转一下
        return result;

    }
};
时间复杂度: O(n)
空间复杂度: O(n)

相信大家应该遇到过一种错误就是栈溢出,系统输出的异常是Segmentation fault(当然不是所有的Segmentation fault 都是栈溢出导致的) ,如果你使用了递归,就要想一想是不是无限递归了,那么系统调用栈就会溢出。

而且在企业项目开发中,尽量不要使用递归!在项目比较大的时候,由于参数多,全局变量等等,使用递归很容易判断不充分 return 的条件,非常容易无限递归(或者递归层级过深),造成栈溢出错误(这种问题还不好排查!)

150. 逆波兰表达式求值

根据 逆波兰表示法,求表达式的值。有效的运算符包括 + ,  - ,  * ,  / 。每个运算对象可以是整数,也可以是另一个逆波兰表达式。

说明:
整数除法只保留整数部分。 给定逆波兰表达式总是有效的。换句话说,表达式总会得出有效数值且不存在除数为 0 的情况。

示例 1:
输入: ["2", "1", "+", "3", " * "]
输出: 9
解释: 该算式转化为常见的中缀算术表达式为:((2 + 1) * 3) = 9

示例 2:
输入: ["4", "13", "5", "/", "+"]
输出: 6
解释: 该算式转化为常见的中缀算术表达式为:(4 + (13 / 5)) = 6
class Solution {
public:
    int evalRPN(vector<string>& tokens) {
        // 力扣修改了后台测试数据,需要用longlong
        stack<long long> st;
        for (int i = 0; i < tokens.size(); i++) {
            if (tokens[i] == "+" || tokens[i] == "-" || tokens[i] == "*" || tokens[i] == "/") {
                long long num1 = st.top();
                st.pop();
                long long num2 = st.top();
                st.pop();
                if (tokens[i] == "+") st.push(num2 + num1);
                if (tokens[i] == "-") st.push(num2 - num1);
                if (tokens[i] == "*") st.push(num2 * num1);
                if (tokens[i] == "/") st.push(num2 / num1);
            } else {
                st.push(stoll(tokens[i]));
            }
        }

        int result = st.top();
        st.pop(); // 把栈里最后一个元素弹出(其实不弹出也没事)
        return result;
    }
};
时间复杂度: O(n)
空间复杂度: O(n)

239. 滑动窗口最大值

给定一个数组 nums,有一个大小为 k 的滑动窗口从数组的最左侧移动到数组的最右侧。你只可以看到在滑动窗口内的 k 个数字。滑动窗口每次只向右移动一位。返回滑动窗口中的最大值。

进阶:你能在线性时间复杂度内解决此题吗?
1 <= nums.length <= 10^5
-10^4 <= nums[i] <= 10^4
1 <= k <= nums.length

img

class Solution {
public:
    vector<int> maxSlidingWindow(vector<int>& nums, int k) {
        //分别保存值和索引,大根堆,堆顶就是最大元素
        priority_queue<pair<int,int>> que;
        vector<int> ans;
        for(int i=0;i<k;i++){
            que.push(make_pair(nums[i],i));
        }
        //先保存前k个中最大的
        ans.push_back(que.top().first);
        for(int i=k;i<nums.size();i++){
            que.push(make_pair(nums[i],i));
            //如果堆顶元素在滑动窗口范围内,那就直接获取
            while(true){
                auto it = que.top();
                if(it.second > i-k){
                    ans.push_back(it.first);
                    break;
                }else{
                    //不在窗口范围内,那就弹出,以后都不可能用
                    que.pop();
                }
            }
        }
        return ans;
    }
};

347.前 K 个高频元素

给定一个非空的整数数组,返回其中出现频率前 k 高的元素。

示例 1:
输入: nums = [1,1,1,2,2,3], k = 2
输出: [1,2]

示例 2:
输入: nums = [1], k = 1
输出: [1]
提示:

你可以假设给定的 k 总是合理的,且 1 ≤ k ≤ 数组中不相同的元素的个数。
你的算法的时间复杂度必须优于 $O(nlogn)$ , n 是数组的大小。
题目数据保证答案唯一,换句话说,数组中前 k 个高频元素的集合是唯一的。
你可以按任意顺序返回答案。
class Solution {
public:
    vector<int> topKFrequent(vector<int>& nums, int k) {
        //存储频率 + 元素
        priority_queue<pair<int,int>> pri_que;
        unordered_map<int,int> hash;
        for(int i=0;i<nums.size();i++){
            hash[nums[i]]++;
        }
        for(auto it : hash){
            pri_que.push(make_pair(it.second,it.first));
        }
        vector<int> ans;
        while(k--){
            ans.push_back(pri_que.top().second);
            pri_que.pop();
        }
        return ans;
    }
};