【C++从0到王者】第十六站：stack和queue的使用

一、stack的使用

1.stack的介绍

栈是一种容器适配器，专门设计用于在 LIFO 上下文中操作(后进先出)，其中元素只从容器的一端插入和提取。

栈被实现为容器适配器，这些类使用特定容器类的封装对象作为其底层容器，提供一组特定的成员函数来访问其元素。 元素从特定容器的“后端”被推入/弹出，这被称为栈的顶部。

底层容器可以是任何标准的容器类模板，也可以是其他一些专门设计的容器类。容器应该支持以下操作：empty、size、back、push_back、pop_front

标准容器类 vector、deque 和 list 满足这些要求。默认情况下，如果没有为特定的堆栈类实例化指定容器类，则使用标准容器 deque。

这里我们需要知道的是，Container适配器就是一个现有的容器进行的一个转换
也就是说，适配器的本质就是一种复用

2.stack的使用

我们先看stack的接口有哪些

如上所示，这里其实我们一看就已经猜出了七七八八了。因为与前面是string、vector、list是十分相似的。只要结合它的先进先出的特性，我们就知道每个函数都是什么意思了。

对于stack的使用是非常简单的

void test_stack()
{stack<int> st1;st1.push(1);st1.push(2);st1.push(3);st1.push(4);while (!st1.empty()){cout << st1.top() << " ";st1.pop();}cout << endl;
}

二、queue的使用

1.queue的护额晒

队列是一种容器适配器，专门设计用于在FIFO上下文中操作(先进先出)，其中将元素插入容器的一端并从另一端提取。

队列是作为容器适配器实现的，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其底层容器的类，提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素被推入特定容器的“后面”，并从其“前面”弹出。

底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作:empty、size、front、back、push_back、pop_back。

标准容器类deque和list满足这些要求。默认情况下，如果没有为特定队列类实例化指定容器类，则使用标准容器队列。

2.queue的使用

同样的，我们先来看queue的接口有哪些

在这些接口中，和stack是类似的，只要我们知道了queue的特性是先进先出。我们就能很轻松的推测出每个接口的意思

对于queue的使用是很简单的

void test_queue()
{queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);while (!q.empty()){cout << q.front() << " ";q.pop();}cout << endl;
}

三、stack和queue相关算法题

1.最小栈

题目链接：最小栈

题目解析：在这道题中，我们为了模拟这种情况，我们可以在成员变量中定义两个栈，一个栈作为正常的出入数据使用，一个栈用来存储最小值。
首先是构造函数，由于我们的成员变量都是自定义类型，所以会自动调用他们的默认构造函数，即他们也会走初始化列表，所以默认构造函数我们是可以直接不用管的。甚至于我们可以直接删掉题目给的构造函数，因为我们不写，编译器自己生成一个。
其次我们的大逻辑是这样的，当我们最小栈为空的时候，我们的最小栈是需要入一个数据的，当我们将要插入的元素是小于等于最小栈要插入的元素的时候，我们会将这个元素给入最小栈
当我们pop的时候，我们也是同理的，如果我们要删除的数据等于最小栈的栈顶元素，那么就也要删除最小栈的栈顶元素。

class MinStack {
public:MinStack(){}void push(int val) {st.push(val);if(min.empty()||(val<=min.top())){min.push(val);}}void pop() {int val=st.top();st.pop();if(val==min.top()){min.pop();}}int top() {return st.top();}int getMin() {return min.top();}
private:stack<int> st;stack<int> min;
};/*** Your MinStack object will be instantiated and called as such:* MinStack* obj = new MinStack();* obj->push(val);* obj->pop();* int param_3 = obj->top();* int param_4 = obj->getMin();*/

2.栈的压入、弹出序列

题目链接：栈的压入弹出序列

题目解析：我们可以使用一个栈来模拟它的入栈出栈逻辑，只要顺着它的思路最终我们的这个栈是空栈的话，那么就说明是匹配的，否则不匹配

class Solution {
public:/*** 代码中的类名、方法名、参数名已经指定，请勿修改，直接返回方法规定的值即可** * @param pushV int整型vector * @param popV int整型vector * @return bool布尔型*/bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {// write code herestack<int> st;int n=pushV.size();int j=0;for(int i=0;i<n;i++){st.push(pushV[i]);while(!st.empty() && st.top()==popV[j]){st.pop();j++;}            }return st.empty();}
};

3.逆波兰表达式

题目链接：逆波兰表达式

再谈这道题之前，我们应该先知道什么是逆波兰表达式，我们正常的都是中缀表达式，即3+2*5这种的，都被称之为中缀表达式。

而中缀表达式在计算机中是很难进行运算的。我们需要先将其转换为后缀表达式，前文所说的中缀表达式转化为后缀表达式后应该为3 2 5 * +。后缀表达式的特点就是操作数的顺序不变，而操作符的顺序按照优先级进行了重排。

我们先来看一下后缀运算符是如何进行运算的：

1. 操作数入栈
2. 如果是操作符，取出栈顶的两个元素进行计算，计算结果放入栈中

那么如何使得中缀转为后缀呢？

1. 操作数输出（即将操作数放到一个容器中）
2. 操作符入栈 ： ①栈为空，当前操作符比栈顶的优先级高，继续入栈 ②栈不为空，且当前操作符比栈顶的优先级低或者相等，则输出栈顶操作符（因为运算符的优先级只与它相邻的操作符有关，是相对的，如果后面出现了一个更高的操作符，我们无法确定后面是否还有更高的操作符，反而是如果有一个相对较低的操作符，那么前两个肯定是可以进行运算的）
3. 表达式结束后，依次出栈顶的操作符
4. 注意，有可能会在转换的中间出现连续出操作符的情况，即栈里面已经存储了好几个运算符了，下面的一个运算符要比好几个都要低，就要连续出好几个运算符

比如说2+4-1*3，这个中缀表达式，按照上面的规则可以化为

上面都是正常情况的下的处理，但是还有时候会出现括号的影响。

这里可以考虑加上一个特殊标记，当我们这个标记生效时，就代表进入括号内了。或者在这里走一个递归也是可以的。递归的方法就是在遇到括号的时候，我们将括号里面的运算符就需要放入一个新的栈中了。相当于我们只需要让括号返回一个结果就可以了。但是数据还是输出在原来的顺序表中的

我们在回过头来看这道题，我们有了上面的分析，就很容易写出下面代码了。

class Solution {
public:int evalRPN(vector<string>& tokens) {stack<int> st;for(auto& str : tokens){if(str=="+"||str=="-"||str=="*"||str=="/"){int right=st.top();st.pop();int left=st.top();st.pop();switch(str[0]){case '+':st.push(left+right);break;case '-':st.push(left-right);break;case '*':st.push(left*right);break;case '/':st.push(left/right);break;}}else{st.push(stoi(str));}}return st.top();}
};

4.两个栈实现一个队列

题目链接：两个栈实现一个队列

对于这个题，我们在之前也已经做过一次分析了，只不过上一次是用C语言手撕了一个栈来实现了。而现在呢，我们有C++的库了，因此我们就可以直接使用C++的库来完成这件事。

class MyQueue {
public:MyQueue() {}void push(int x) {_push.push(x);}int pop() {if(_pop.empty()){while(!_push.empty()){int val=_push.top();_push.pop();_pop.push(val);}}int val=_pop.top();_pop.pop();return val;}int peek() {if(_pop.empty()){while(!_push.empty()){int val=_push.top();_push.pop();_pop.push(val);}}return _pop.top();}bool empty() {return (_push.empty()&&_pop.empty());}
private:stack<int> _push;stack<int> _pop;
};/*** Your MyQueue object will be instantiated and called as such:* MyQueue* obj = new MyQueue();* obj->push(x);* int param_2 = obj->pop();* int param_3 = obj->peek();* bool param_4 = obj->empty();*/

5.用两个队列实现栈

题目链接：用两个队列实现栈

这道题与上面的题类似，我们也是曾经使用C语言做过，不过由于C语言没有轮子，就需要我们自己造轮子，有了很多的麻烦。

class MyStack {
public:MyStack() {}void push(int x) {if(q1.empty()){q2.push(x);}else{q1.push(x);}}int pop() {if(q1.empty()){while(q2.size()>1){int val=q2.front();q2.pop();q1.push(val);}int val=q2.front();q2.pop();return val;}else{while(q1.size()>1){int val=q1.front();q1.pop();q2.push(val);}int val=q1.front();q1.pop();return val;}}int top() {if(q1.empty()){return q2.back();}else{return q1.back();}}bool empty() {return (q1.empty()&&q2.empty());}
private:queue<int> q1;queue<int> q2;
};/*** Your MyStack object will be instantiated and called as such:* MyStack* obj = new MyStack();* obj->push(x);* int param_2 = obj->pop();* int param_3 = obj->top();* bool param_4 = obj->empty();*/

6.二叉树的层序遍历

题目链接：二叉树的层序遍历

对于这道题，如果不是用C++来完成的话，用C去完成的话是非常难的。不仅我们要确保我们造的轮子是正确的，而且还有很多细节需要进行处理，但我们如果使用C++的话可以极大的简化很多操作

1.双队列

我们可以使用两个队列去完成这件事，一个队列用来存储结点指针，一个队列用来存储该节点处于哪个层。这样我们就可以知道哪个结点是那个层的了，自然我们就很容易的得知层序遍历了。

2.用一个变量levelSize去控制

这种思路是比较奇妙的，我们使用一个变量来确定当前该层有多少个结点，用一个队列来存储结点，然后就是层序遍历的基本套路，每出一个结点，带来两个孩子。将每一层的数据存储在一个vector中，然后一层结束后将这一层的vector插入到vector<vector<int>>中。

/*** Definition for a binary tree node.* struct TreeNode {*     int val;*     TreeNode *left;*     TreeNode *right;*     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}*     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}*     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}* };*/
class Solution {
public:vector<vector<int>> levelOrder(TreeNode* root) {queue<TreeNode*> q;int levelSize=0;if(root){q.push(root);levelSize=1;}vector<vector<int>> vv;while(!q.empty()){vector<int> v;for(int i=0;i<levelSize;i++){TreeNode* front=q.front();q.pop();v.push_back(front->val);if(front->left){q.push(front->left);}if(front->right){q.push(front->right);}}vv.push_back(v);levelSize=q.size();}return vv;}
};

7.二叉树的层序遍历Ⅱ

题目链接:二叉树的层序遍历Ⅱ

对于这道题目，我们可以注意到他是让倒着遍历的。和前一道题基本是一样的，只是改变了vv的顺序。即相当于将vv给逆序。那么这道题就太简单了，直接将前面这道题给拷贝过来，然后调用库里面的reverse即可

/*** Definition for a binary tree node.* struct TreeNode {*     int val;*     TreeNode *left;*     TreeNode *right;*     TreeNode() : val(0), left(nullptr), right(nullptr) {}*     TreeNode(int x) : val(x), left(nullptr), right(nullptr) {}*     TreeNode(int x, TreeNode *left, TreeNode *right) : val(x), left(left), right(right) {}* };*/
class Solution {
public:vector<vector<int>> levelOrderBottom(TreeNode* root) {queue<TreeNode*> q;int levelSize=0;if(root){q.push(root);levelSize=1;}vector<vector<int>> vv;while(!q.empty()){vector<int> v;for(int i=0;i<levelSize;i++){TreeNode* front=q.front();q.pop();v.push_back(front->val);if(front->left){q.push(front->left);}if(front->right){q.push(front->right);}}vv.push_back(v);levelSize=q.size();}reverse(vv.begin(),vv.end());return vv;}
};

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好了，本期内容就到这里了
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