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队列是一种先进先出的数据结构,栈是一种先进后出的数据结构,形象一点就是这样:

这两种数据结构底层其实都是数组或者链表实现的,只是 API 限定了它们的特性,具体实现可以参见基础知识章节的 队列/栈的原理及实现。
今天来看看如何使用「栈」的特性来实现一个「队列」,如何用「队列」实现一个「栈」。
232. 用栈实现队列
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
我们使用两个栈
s1, s2 就能实现一个队列的功能,当调用 push 让元素入队时,只要把元素压入 s1 即可,比如说 push 进 3 个元素分别是 1,2,3,那么底层结构就是这样:
那么如果这时候使用
peek 查看队头的元素怎么办呢?按道理队头元素应该是 1,但是在 s1 中 1 被压在栈底,现在就要轮到 s2 起到一个中转的作用了:当 s2 为空时,可以把 s1 的所有元素取出再添加进 s2,这时候 s2 中元素就是先进先出顺序了:
当
s2 中存在元素时,直接调用操作 s2 的 pop 方法,弹出的就是最先插入的元素,即实现了队列的 pop 操作。Python 的 列表(list) 可以用作 栈,因为它支持:
append()在栈顶压入元素(Push)
pop()从栈顶弹出元素(Pop)
append() 和 pop() 时间复杂度为 O(1),适用于大多数情况。list 在删除中间元素时性能较差,因为它是 动态数组,删除元素可能会导致 数据移动。完整代码如下:
值得一提的是,这几个操作的时间复杂度是多少呢?
有点意思的是
peek 操作,调用它时可能触发 while 循环,这样的话时间复杂度是 O(N),但是大部分情况下 while 循环不会被触发,时间复杂度是 O(1)。像这种情况,可以说它们的最坏时间复杂度是 O(N),因为包含
while 循环,可能需要从 s1 往 s2 搬移元素。但是它们的均摊时间复杂度是 O(1),这个要这么理解:对于一个元素,最多只可能被搬运一次,也就是说
peek 操作平均到每个元素的时间复杂度是 O(1)。225. 用队列实现栈
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。
题目要求两个队列,其实一个队列就够了。
先说
push API,直接将元素加入队列,同时记录队尾元素,因为队尾元素相当于栈顶元素,如果要 top 查看栈顶元素的话可以直接返回。pop 的方法简单粗暴,把队列前面的都取出来再加入队尾,让之前的队尾元素排到队头,这样就可以取出了。完整代码如下:
很明显,用队列实现栈的话,
pop 操作时间复杂度是 O(N),其他操作都是 O(1)。Python 的collections.deque提供了以下常用方法:
方法 作用 复杂度append(x) 在 队尾 添加元素 O(1)appendleft(x) 在 队首 添加元素 O(1)pop() 从队尾 移除元素 O(1)popleft() 从队首 移除元素 O(1)extend(iterable) 在队尾 批量添加元素 O(k)extendleft(iterable) 在队首 批量添加元素(顺序会反转) O(k)rotate(k) 循环右移 k 步(k 为负数时左移) O(k)reverse() 反转队列 O(n)
个人认为,用队列实现栈是没啥亮点的问题,但是用双栈实现队列是值得学习的。
从栈
s1 搬运元素到 s2 之后,元素在 s2 中就变成了队列的先进先出顺序,这个特性有点类似「负负得正」,确实不太容易想到。