栈和队列的设计和递归

栈和队列是逻辑的名字,而链表、数组是底层的实现方式。

  • 单向链表。每一个结点(结构体)需要一个值(value)和一个下个元素的地址(next)。

  • 双向链表。每一个结点需要一个值、前一个元素的地址(last)和后一个元素的地址。

  • 队列,FIFO。需要有 Head、Tail 两个属性,及 Push、Pop 两个方法。

  • 栈,LIFO。需要有 Bottom、Top 两个属性,及 Push、Pop 两个方法。

双向链表实现队列和栈

  • Head <-> x <-> x <-> x <-> Tail
  • Bottom -> x -> x -> Top

双向链表即可实现队列,也可实现栈,它们的不同只是方法上的不同。

在队列中,是 AddFromHead,PopFromTail;而在栈中,是PushFromTop,PopFromTop。

数组实现栈和队列

一般的实现是固定大小的栈和队列(数组是固定大小的)。

数组实现栈

栈很好实现,用一个下标 index 来标记栈顶,下标 0 表示栈底。插入和弹出只需维护 index 的变化即可。

数组实现队列

用数组实现队列。需要记录 Head、Tail

方法一:两个下标标记头和尾

是用两个下标 headIndex 和 tailIndex 来标记 Head 和 Tail。这样在插入和弹出时,维护两个 index 的变化,但这样的实现很不方便,因为 tailIndex 一直在追赶 headIndex,如何区分空队列和满队列是一个问题。

方法二:用 head 和 size 标记头和尾

可以说数组的长度是一个 limit,只要 size 到了 limit 就表示队列已满。下标独立维护,Head + Size( - limit) 就是 Tail 的下标。这样 Push 和 Pop 也就方便多了。

栈和队列常见面试题

特殊的栈,可以用 getMin 获取栈的最小值

实现:用两个栈,Data 栈是一个基本的、正常的栈;Min 栈,与 Data 栈(单向)同步操作,只记录当前栈中最小值。

由于 Min 栈记录的是 Data 栈对应位置的最小 值,所以只需在 Data 栈插入的时候,用 Min 栈栈顶和插入值比较,对应得插入小值则可。在 Data 栈 Pop 出时,为保持同步,Min 栈也 Pop。

上述是用了一个 Min 栈同步于 Data 栈实现的。也可以设计成 Min 栈高度小于等于 Data 栈高度的设计方法,但需要用逻辑在弹出是做判断。(略)

用栈实现队列

实现方法:两个栈,插入时是 Push 栈,弹出时从 Push 栈移到 Pop 栈,此时的 Pop 栈的栈顶就是队列的 Head,但若插入时又需要将 Pop 栈的数据全移到 Push 栈后才能插入。

用队列实现栈

实现方法:两个队列,A 队列和 B 队列,插入数据在 A 队列,弹出时将 A 队列串除了最后一个元素外的其他元素转移到 B 队列中,此时 A 队列只有最后一个元素,弹出它即为栈式的取数据。此时 B 队列可以继续使用,每一次取数据时,进行队列转换。

递归

递归是用了系统栈的性质,具体细节不做讲述了,假设读者都有基础。

任何递归都是可以变成迭代的。递归是用了栈的结构,将方法及一些参数依次压入栈,先得出栈顶的结果再依次向下最终得出栈底的结果。迭代是顺序式的,就像 for 循环一样,依次算出结果。

有些语言提供了尾递归,其实就是语言自己将递归优化成了迭代这种方式。

一般递归的时间复杂度公式:

递归时间复杂度公式

其中,a 为递归函数调了多少次;b 为每个问题分为子问题的个数;d 为单纯的递归之外进行操作的循环次数(无其他 for 时取 0,有一次 for 遍历取 1)。

时间复杂度取值

总结

栈和队列可以实现转换,但需要有两个栈实现队列,两个队列实现栈。


附:查询图的宽度是用队列来做的,图的深度是用栈结构来做的。

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