栈和队列(数据结构刷题)[一]-python

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前言

提到栈和队列，大家可能对它们的了解只停留在表面，再深入一点，好像知道又好像不知道的感觉。本文我将从底层实现和应用来介绍栈和队列。让大家更加通透的了解栈和队列。

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一、原理介绍

栈和队列的原理是，队列是先进先出，栈是先进后出。示意图如下：

首先大家要了解栈和队列是C++ STL标准模版库里面的两个数据结构。栈stack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). 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。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。
那么在STL中栈是用什么容器实现的呢？栈的底层实现可以是vector、deque、list都可以，主要是数组和链表的底层实现。
上面说的栈的特性，对应的队列情况是一样的。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。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。
C++语言中，指定vector为栈的底层实现，初始化语句如下：

std::stack<int, std::vector<int> > third;  // 使用vector为底层容器的栈

也可以指定list为底层实现，初始化语句如下：

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）。
只有深挖栈和队列的内部原理，才能真的做到夯实基础。

二、用栈实现队列

1.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。
举例：

MyQueue queue = new MyQueue();
queue.push(1);
queue.push(2);
queue.peek();  // 返回 1
queue.top();   // 返回 1
queue.empty(); // 返回 false

2.思路

leetcode 232. 用栈实现队列
这道题不涉及算法，是一道模拟题，考察对栈和队列的掌握程度。
使用栈来模拟队列的行为，需要两个栈，一个输入栈，一个输出栈，注意输入栈和输出栈的关系。
执行语句：
queue.push(1);
queue.push(2);
queue.pop(); 注意此时的输出栈的操作
queue.push(3);
queue.push(4);
queue.pop();
queue.pop();注意此时的输出栈的操作
queue.pop();
queue.empty();
C++代码

void push(int x){stackIn.push();
}
int pop(){if stackOut.empty()while(!stackIn.empty()){ //将入栈里的所有元素都加入到出栈里stackOut.push(stackIn.top());stackIn.pop();}result=stackOut.top();stackOut.pop();return result;
}
# peak和pop是类似的  
int peek(){//直接使用已有的pop函数result=this->pop()；//极大的优化了代码的简洁性stackOut.push(result);// 因为pop函数弹出了元素res，所以再添加回去return result;

仔细体会上述过程，会发现简直太妙了！！！

在push数据的时候，只要数据放进输入栈就好，但在pop的时候，操作就复杂一些，输出栈如果为空，就把进栈数据全部导入进来（注意是全部导入），再从出栈弹出数据，如果输出栈不为空，则直接从出栈弹出数据就可以了。
最后如何判断队列为空呢？如果进栈和出栈都为空的话，说明模拟的队列为空了。
在代码实现的时候，会发现pop() 和 peek()两个函数功能类似，代码实现上也是类似的，可以思考一下如何把代码抽象一下。在工业级代码开发中，最要不得的就是实现一个类似的函数，直接吧代码粘过来改，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！！！
代码如下（示例）：

class MyQueue:def __init__(self):"""in主要负责push，out主要负责pop"""self.stack_in = []self.stack_out = []def push(self, x: int) -> None:"""有新元素进来，就往in里面push"""self.stack_in.append(x)def pop(self) -> int:"""Removes the element from in front of queue and returns that element."""if self.empty():return Noneif self.stack_out:return self.stack_out.pop()else:for i in range(len(self.stack_in)):self.stack_out.append(self.stack_in.pop())return self.stack_out.pop()def peek(self) -> int:"""Get the front element."""ans = self.pop()self.stack_out.append(ans)return ansdef empty(self) -> bool:"""只要in或者out有元素，说明队列不为空"""return not (self.stack_in or self.stack_out)

上述代码中，peek()的实现，对pop()函数做了复用， 要不然，对stack_out( )判空的逻辑又要重写一遍。

leetcode. 225 用队列实现栈
操作如下：
push(x) – 元素x入栈
pop(x) – 删除栈顶元素
top(x) – 获取栈顶元素
empty() – 返回栈是否为空

void push(int x){que.push(x);
}
#关键在于如何弹出元素
#用一个队列实现栈的出元素
int pop(){size=que.size();#弹出size-1个数才能模拟栈弹出一个元素size--;while(size--){#吧size-1弹出的元素再重新加回队列里que.push(que.front());#取队列出口处的第一个元素但并没有弹出que.pop();#弹出刚取的第一个元素}	result=que.front();que.pop();return result	
}
#循环吧前size-1个元素再重次新添加进来 然后最后一个元素就是我么栈要出来的元素
#top函数就是我们 栈里面你想获取的第一个元素实际就是我队列里入口处第一个元素
int top(){return que.back()#队列入口处的第一个元素
}

总的来说，用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。
Python完整代码：

from collections import deque
class MyStack:def __init__(self):self.que=deque()def push(self,x):self.que.append(x)def pop(self):if self.empty():return Nonefor i in range(len(self.que)-1):self.que.append(self.que.popleft())return self.que.popleft()def top(self):if self.empty():return Nonereturn self.que[-1]def empty(self):return not self.que()

三、关于面试考察

栈里面的元素在内存中是连续分布的么？

答：栈里面元素在内存中不是连续分布的。栈是容器适配器，底层容器使用不同的容器，导致栈内数据在内存中不是连续分布的。缺省情况下(构造函数缺省)，默认底层容器是deque，deque在内存中的数据分布也是不连续分布。
(ps:近期都是关于数据结构基础知识分享，感兴趣的同学可以关注本人公众号：HEllO算法笔记）