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解题思路:

栈实现队列的出队操作效率低下:栈底元素(对应队首元素)无法直接删除,需要将上方所有元素出栈。

列表倒序操作可使用双栈实现:设有含三个元素的栈 A = [1,2,3] 和空栈 B = [] 。若循环执行 A 元素出栈并添加入栈 B ,直到栈 A 为空,则 A = [] , B = [3,2,1] ,即栈 B 元素为栈 A 元素倒序。

利用栈 B 删除队首元素:倒序后,B 执行出栈则相当于删除了 A 的栈底元素,即对应队首元素。

Picture1.png

题目要求实现 加入队尾appendTail()删除队首deleteHead() 两个函数的正常工作。因此,可以设计栈 A 用于加入队尾操作,栈 B 用于将元素倒序,从而实现删除队首元素。

函数设计:

  1. 加入队尾 appendTail() 将数字 val 加入栈 A 即可。
  2. 删除队首deleteHead() 有以下三种情况。
    1. 当栈 B 不为空: B中仍有已完成倒序的元素,因此直接返回 B 的栈顶元素。
    2. 否则,当 A 为空: 即两个栈都为空,无元素,因此返回 -1 。
    3. 否则: 将栈 A 元素全部转移至栈 B 中,实现元素倒序,并返回栈 B 的栈顶元素。

<Picture2.png,Picture3.png,Picture4.png,Picture5.png,Picture6.png,Picture7.png,Picture8.png,Picture9.png>

复杂度分析:

以下分析仅满足添加 $N$ 个元素并删除 $N$ 个元素,即栈初始和结束状态下都为空的情况。

  • 时间复杂度: appendTail()函数为 $O(1)$ ;deleteHead() 函数在 $N$ 次队首元素删除操作中总共需完成 $N$ 个元素的倒序。
  • 空间复杂度 $O(N)$ : 最差情况下,栈 AB 共保存 $N$ 个元素。

代码:

Python 和 Java 的栈的 pop() 函数返回栈顶元素,而 C++ 不返回;因此对于 C++ ,需要先使用 top() 方法暂存栈顶元素,再执行 pop() 出栈操作。

Python
class CQueue:
    def __init__(self):
        self.A, self.B = [], []

    def appendTail(self, value: int) -> None:
        self.A.append(value)

    def deleteHead(self) -> int:
        if self.B: return self.B.pop()
        if not self.A: return -1
        while self.A:
            self.B.append(self.A.pop())
        return self.B.pop()
Java
class CQueue {
    LinkedList<Integer> A, B;
    public CQueue() {
        A = new LinkedList<Integer>();
        B = new LinkedList<Integer>();
    }
    public void appendTail(int value) {
        A.addLast(value);
    }
    public int deleteHead() {
        if(!B.isEmpty()) return B.removeLast();
        if(A.isEmpty()) return -1;
        while(!A.isEmpty())
            B.addLast(A.removeLast());
        return B.removeLast();
    }
}
C++
class CQueue {
public:
    stack<int> A, B;
    CQueue() {}
    void appendTail(int value) {
        A.push(value);
    }
    int deleteHead() {
        if(!B.empty()) {
            int tmp = B.top();
            B.pop();
            return tmp;
        }
        if(A.empty()) return -1;
        while(!A.empty()) {
            int tmp = A.top();
            A.pop();
            B.push(tmp);
        }
        int tmp = B.top();
        B.pop();
        return tmp;
    }
};

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