【C语言刷题】用队列实现栈和用栈实现队列

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Leetcode225——用队列实现栈

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 。

链接：https://leetcode.cn/problems/implement-stack-using-queues

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。
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

核心代码模式

typedef struct 
{
    
    

} MyStack;


MyStack* myStackCreate() 
{
    
    

}

void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    
    

}

int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    
    

}

int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    
    

}

bool myStackEmpty(MyStack* obj) 
{
    
    

}

void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    
    

}

/**
 * Your MyStack struct will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = myStackCreate();
 * myStackPush(obj, x);
 
 * int param_2 = myStackPop(obj);
 
 * int param_3 = myStackTop(obj);
 
 * bool param_4 = myStackEmpty(obj);
 
 * myStackFree(obj);
*/

思路分析与代码实现（C语言）

要用两个队列实现栈，题目没有提供队列，而C语言库中没有数据结构，所以我们得先手搓队列结构和操作函数。

typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
    
    
    struct QueueNode* next;
    QDataType data;
}QNode;

typedef struct Queue
{
    
    
    QNode* front;
    QNode* rear;
    size_t size;
}Que;

void QueueInit(Que* pQ);
void QueueDestory(Que* pQ);
void QueuePush(Que* pQ, QDataType tar);
void QueuePop(Que* pQ);
QDataType QueueFront(Que* pQ);
QDataType QueueRear(Que* pQ);
bool QueueEmpty(Que* pQ);
int QueueSize(Que* pQ);

void QueueInit(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);

	pQ->front = pQ->rear = NULL;
	pQ->size = 0;
}

void QueuePush(Que* pQ, QDataType tar)
{
    
    
	assert(pQ);

	QNode* newNode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newNode == NULL)
	{
    
    
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
    
      //不为空就初始化结点
		newNode->data = tar;
		newNode->next = NULL;
	}

	if (pQ->rear == NULL)
	{
    
    
		pQ->front = pQ->rear = newNode;
	}
	else
	{
    
    
		pQ->rear->next = newNode;
		pQ->rear = newNode;
	}
	pQ->size++;
}

bool QueueEmpty(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);

	return pQ->front == NULL && pQ->rear == NULL;
}

void QueuePop(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);
	assert(!QueueEmpty(pQ));

	if (pQ->front->next == NULL)
	{
    
    
		free(pQ->front);
		pQ->front = pQ->rear = NULL;
	}
	else
	{
    
    
		QNode* del = pQ->front;
		pQ->front = pQ->front->next;
		free(del);
	}
	pQ->size--;
}

QDataType QueueFront(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);
	assert(!QueueEmpty(pQ));
	
	return pQ->front->data;
}

QDataType QueueRear(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);
	assert(!QueueEmpty(pQ));

	return pQ->rear->data;
}

int QueueSize(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);

	return pQ->size;
}

void QueueDestory(Que* pQ)
{
    
    
	assert(pQ);

	QNode* cur = pQ->front;
	while (cur)
	{
    
    
		QNode* del = cur;
		cur = cur->next;
		free(del);
	}
	pQ->front = pQ->rear = NULL;
}

栈结构声明
既然是要用两个队列实现栈，那不妨把两个队列放到栈结构体中。下面那个是创建栈的函数，直接用malloc在堆区创建，初始化栈结构，返回指针即可。

typedef struct 
{
    
    
    Que q1;
    Que q2;
} MyStack;


MyStack* myStackCreate() 
{
    
    
    MyStack* obj = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
    QueueInit(&obj->q1);
    QueueInit(&obj->q2);
    return obj;
}

如何实现元素入栈呢？
如果是第一次放入元素，那两个队列都是空的，这时候把元素放哪个队列都行。如果已经有放入过元素了，那就看哪个队列不是空的就放入哪个队列中去，为什么这样做呢？是为了配合元素出栈的实现方式，后面讲的时候你就能明白了。直接复用我们前面实现了的队列操作函数来操作队列即可。

void myStackPush(MyStack* obj, int x) 
{
    
    
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
    
    
        QueuePush(&obj->q1, x);
    }
    else
    {
    
    
        QueuePush(&obj->q2, x);
    }
}

如何实现元素出栈呢？
先把装了元素的队列的队尾之前的所有元素移动到另一个队列，再让之前的队尾元素出队列。由于队列先进先出的特性，将元素从一个队列导入到另一队列中去，元素间相对顺序不变。我们要用队列实现栈，也就是将先进先出的特性转换为后进先出的特性，队列后进入的元素（比如下图的4）在队列中自然不能直接出队列，队尾可不能出元素，而队头的话还得把1、2、3先出完才能轮到4，于是乎我们这里的方法就是让后进入的元素直接一跃到队头，那前面不是有好几个的元素嘛，不可能会说没就没的呀，不是还有一个队列嘛，那我们就先把不出去的元素全部放到另一个队列去呗。
先进先出是因为先进入的直接到了队头，那要实现后进先出，可以让先进入的“靠边站”，把队头位置让给后进入的，这样后进入的也可以先出。
所以每次要出栈的时候，就把前面元素先导入到另一个队列中去，然后再把剩下那个元素出队列即可，所以会始终保持一个队列为空。

我们不区分q1和q2，只区分区分空和非空。由于题目保证了每次调用 pop 和 top 都保证栈不为空，所以我们这里不考虑栈为空的情况。要注意这个函数有返回值，返回的是pop出来的值。

int myStackPop(MyStack* obj) 
{
    
    
    Que* empty = &obj->q1;
    Que* nonEmpty = &obj->q2;
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
    {
    
    
        empty = &obj->q2;
        nonEmpty = &obj->q1;
    }
    
    while(nonEmpty->size > 1)
    {
    
    
        QueuePush(empty, QueueFront(nonEmpty));
        QueuePop(nonEmpty);
    }
    
    int ret = QueueFront(nonEmpty);
    QueuePop(nonEmpty);
    return ret;
}

判断栈是否为空
由于这个栈是由两个队列组合而成的，所以判断栈是否为空，只需判断两个队列是否都为空即可。

bool myStackEmpty(MyStack* obj)
{
    
    
    
    return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}

获取栈顶元素
鉴于我们这种思路，两个队列总会保持一种状态：一个队列为空，另一个不为空。这时候，不为空的队列的队尾元素就是栈的栈顶元素。

int myStackTop(MyStack* obj) 
{
    
    
    if(!QueueEmpty(&obj->q1))
        return QueueRear(&obj->q1);
    else
        return QueueRear(&obj->q2);
}

释放栈结构
你肯定记得释放栈，但是你记不记得我们这儿的队列使用单链表实现的？要先释放掉两个队列的单链表，再释放掉整个栈结构。

void myStackFree(MyStack* obj) 
{
    
    
    QueueDestory(&obj->q1);
    QueueDestory(&obj->q2);
    free(obj);
}

Leetcode232——用栈实现队列

题目描述

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

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

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 **：

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）

核心代码模式

typedef struct {
    
    

} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() {
    
    

}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    
    

}

int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    
    

}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    
    

}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    
    

}

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    
    

}

/**
 * Your MyQueue struct will be instantiated and called as such:
 * MyQueue* obj = myQueueCreate();
 * myQueuePush(obj, x);
 
 * int param_2 = myQueuePop(obj);
 
 * int param_3 = myQueuePeek(obj);
 
 * bool param_4 = myQueueEmpty(obj);
 
 * myQueueFree(obj);
*/

思路分析与代码实现（C语言）

由于C语言库里没有数据结构，我们这里得先手搓栈的结构和操作函数。

typedef int STDataType;
typedef struct stack
{
    
    
    STDataType* arr;
    int top;
    size_t capacity;
}ST;


void StackInit(ST* pS);
void StackDestory(ST* pS);
void StackPush(ST* pS, STDataType tar);
bool StackEmpty(ST* pS);
void StackPop(ST* pS);
STDataType StackTop(ST* pS);
int StackSize(ST* pS);

void StackInit(ST* pS)
{
    
    
    assert(pS);

    pS->arr = NULL;
    pS->top = pS->capacity = 0;
}

void StackPush(ST* pS, STDataType tar)
{
    
    
    assert(pS);

    //检查是否满容以及扩容
    if (pS->top == pS->capacity)
    {
    
    
        int newCapacity = (pS->capacity == 0) ? 4 : pS->capacity * 2;
        ST* tmp = (STDataType*)realloc(pS->arr, newCapacity * sizeof(STDataType));
        if (tmp == NULL)
        {
    
    
            perror("realloc fail");
            exit(-1);
        }
        pS->capacity = newCapacity;
        pS->arr = tmp;
    }
    //元素入栈
    pS->arr[pS->top] = tar;
    pS->top++;
}

void StackDestory(ST* pS)
{
    
    
    assert(pS);

    free(pS->arr);
    pS->arr = NULL;
    pS->top = pS->capacity = 0;
}

bool StackEmpty(ST* pS)
{
    
    
    assert(pS);

    return pS->top == 0;
}

void StackPop(ST* pS)
{
    
    
    assert(pS);
    assert(!StackEmpty(pS));

    --pS->top;
}

STDataType StackTop(ST* pS)
{
    
    
    assert(pS);
    assert(!StackEmpty(pS));

    return pS->arr[pS->top - 1];
}

int StackSize(ST* pS)
{
    
    
    assert(pS);

    return pS->top;
}

那么如何用两个栈来实现队列呢？我们一点一点来看吧。
比如说在st1已经入栈了四个元素，这时候要出队列，根据先进先出，就是要把1出栈，可以1在st1最下面啊，怎么搞呢？让它变成栈顶元素就能出栈了吧，那可不可以把这四个元素依次导入到st2中，这样的话1就变成了st2的栈顶元素，这时候就可以出栈了。

那还需要再把2、3、4再导回到st1中去吗？其实不需要了，你看啊，出队列是不是就在st2实现了，而入队列是不是就在st1实现了，那可不可以假象着把它们两个栈拼接在一起，组成一个模拟队列呢？

栈pushST用来入元素，栈popST用来出元素，等到出空了，再去pushST把数据导入进来。

队列结构声明与队列创建

由于是要用两个栈实现，我们就放入两个栈结构，一个pushST，一个popST。创建好队列后，复用栈的初始化函数，初始化两个栈。

typedef struct {
    
    
    ST pushST;
    ST popST;
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() {
    
    
    MyQueue* obj =(MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    StackInit(&obj->pushST);
    StackInit(&obj->popST);
    return obj;
}

元素入队列

结合前面所讲的，pushST栈就是用来入元素的，也没有什么限制，直接复用入栈操作函数即可。

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) {
    
    
    StackPush(&obj->pushST);
}

元素出队列

出队列前要先看看popST是不是空的，如果不是空，就可以直接把popST的元素出栈，如果是空的，那就要先把pushST的元素全部导入popST中再出栈。我们不妨把导入元素的操作封装成一个函数PushSTtoPopST( )。

void PushSTtoPopST(MyQueue* obj)
{
    
    
    if(StackEmpty(&obj->popST))
    {
    
    
        while(!StackEmpty(&obj->pushST))
        {
    
    
            StackPush(&obj->popST, StackTop(&obj->pushST));
            StackPop(&obj->pushST);
        }

    }

}

int myQueuePop(MyQueue* obj) {
    
    
    PushSTtoPopST(obj);

    int ret = StackTop(&obj->popST);
    StackPop(&obj->popST);
    return ret;
}

队列判空

其实元素出队列和获取队头元素都需要先判断队列是否为空，只不过这道题保证了空队列不会调用pop和peek函数。而判空其实很简单，只要两个栈都为空，那队列不就为空了吗。稍微注意一下，函数返回值是bool类型，如果队列为空就返回真，如果队列不为空就返回假。

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) {
    
    
    return StackEmpty(&obj->popST) && StackEmpty(&obj->pushST);
}

获取队头元素

要先把pushST的元素全部导入到popST中再取队头元素。

int myQueuePeek(MyQueue* obj) {
    
    
    PushSTtoPopST(obj);
    return StackTop(&obj->popST);
}

释放队列

要先把两个栈给释放掉，再释放掉整个队列结构。

void myQueueFree(MyQueue* obj) {
    
    
    StackDestory(&obj->pushST);
    StackDestory(&obj->popST);
    free(obj);
}

在这里插入图片描述