算法面試：棧實現隊列的方案

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前言：Java數據結構與算法專題會不定時更新，歡迎各位讀者監督。本篇文章介紹一個有趣的問題：用兩個棧實現一個隊列。這道題來自互聯網公司的算法面試，做爲一道經典的算法面試題，本文給出問題的解決思路和Java實現代碼。

前兩篇文章介紹了棧(stack)和隊列（queue）兩種特殊的數據結構和他們特色，棧和隊列雖然是特色針鋒相對的，但有意思的是他們卻彼此相互聯繫。

後進先出的棧如何才能實現先進先出的隊列呢？通常會用兩個棧來實現。首先定義兩個棧分別爲stack1和stack2.

1.解決方案一：

咱們讓入隊的操做在stack1中完成，出隊的操做在stack2中完成，具體分析過程以下：

• 入隊： ①將全部元素直接向stack1中壓棧
• 出隊： ②將stack1中的全部元素依次出棧，③緊接着入棧到stack2中，④而後彈出stack2中的元素。

爲清楚說明，用下圖解釋：

來回入隊、出隊比較麻煩，尤爲是出隊比較麻煩，須要先將元素從stack1倒入stack2中，而後stack2彈出的元素又倒回到stack1中。有沒有更優化的方案呢？如下方案2是改進以後的思路。

2.解決方案二：

入隊都在stack1中進行，stack2用於隊列，同時保證全部元素都在一個棧裏，且遵循如下約束：

• 入隊：無論stack1空與否，都將stack2中的全部元素壓入stack1中
• 出隊：若stack2中不爲空，則直接從stack2中彈出元素；若stack2爲空，則說明隊列爲空，不能出隊。

方案2與方案1的區別在於，方案2中把倒回的操做放在了入隊中完成，使連續入隊、出隊的效率提升。有沒有更優化的方案呢？如下對方案2改進，給出方案3.

3.解決方案三：

入隊都在stack1中完成，出隊都在stack2中完成，且遵循如下約束：

• 入隊：直接把元素壓入stack1中；
• 出隊：若stack2中不爲空，則直接彈出stack2中的元素；若stack2中爲空，則將stack1中的全部元素倒入stack2中，而後彈出stack2的棧頂元素。一樣，若兩個棧都爲空，則隊列爲空隊，沒法出隊。

方案3的特色是：入隊時很是簡單，而在出隊時，多數狀況下能夠直接經過彈出stack2完成。若是把stack1中的元素倒入stack2中，則通常不用每次都進行這樣的操做。最壞的狀況就是出隊一個元素、入隊一個元素這樣的循環，致使每次出隊都須要轉移元素。

4.java代碼實現

如下給出方案3的代碼實現：

public class Stacks2Queue {
    private Stack stack1;
    private Stack stack2;
    private int maxLength;
    
    public Stacks2Queue(int capacity){
        maxLength = capacity;
        stack1 = new Stack(capacity);        
        stack2 = new Stack(capacity);        
    }
    
    /**
     * 隊列入隊
     * @param element 入隊元素
     * @return 入隊成功？
     */
    public boolean put(int element){
        if(stack1.isFull() || maxLength == stack1.getSize()){
            //此時stack1滿
            return false;
        }
        stack1.push(element);
        return true;
    }
    
    /**
     * 隊列出隊
     * @return 出隊的元素
     */
    public int poll(){
        if(!stack2.isEmpty()){
            return stack2.pop();
        }else{
            while(!stack1.isEmpty()){
                stack2.push(stack1.pop());
            }return stack2.pop();
        }
    }
    
    /**
     * 求隊列長度
     * @return 返回隊列長度
     */
    public int getSize(){
        return stack1.getSize()+stack2.getSize();
    }
}

測試代碼以下：

public class Stack2QueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        Stacks2Queue q = new Stacks2Queue(5);
        q.put(1);   //入隊元素 1
        q.put(2);   //入隊元素 2
        System.out.println("出隊的元素爲"+q.poll());   //出隊元素   打印1
        System.out.println("此時隊列長度爲"+q.getSize());  //返回1
        q.put(3);   //入隊元素 3
        q.put(4);   //入隊元素 4
        System.out.println("出隊的元素爲"+q.poll());   //出隊元素  打印2
        System.out.println("出隊的元素爲"+q.poll());   //出隊元素  打印3 本次出隊操做會把3和4兩個元素從stack1中倒入stack2中
    }
}

注：以上代碼用到了堆和棧的代碼，請移步到前兩篇文章獲取Java數據結構與算法——棧(stack)和Java數據結構與算法——隊列（queue）

5.小結：

本文介紹了一個互聯網面試經典問題如何用兩個棧實現隊列？並給出解決思路和java代碼實現，後續會給出其姊妹篇如何用兩個隊列實現棧？的問題。

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