队列实现栈的3种方法，全都击败了100%的用户！

本文已收录至 Github《小白学算法》系列：//github.com/vipstone/algorith

之前我们讲过《用两个栈实现一个队列》，而今天我们要讲的是「用队列实现栈」，它们都属于常见的面试题，而我们今天要用多种方法来实现队列到栈的“转变”。

老规矩，先来回顾一下栈（Stack）和队列（Queue）的特性和常见方法。

栈是后进先出（LIFO）的数据结构，常见方法如下：

  • push()：入栈方法，向栈顶添加元素；
  • pop()：出栈方法，将栈顶的元素移除并返回元素；
  • peek()：查询栈顶元素，并不会移除元素。

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队列是先进先出（FIFO）的数据结构，常见方法如下：

  • offer()：入队方法，向队尾添加元素；
  • poll()：出队方法，从队头移除并返回元素；
  • peek()：查询队头元素，并不会移除元素。

image.png
知道了这些基础内容之后，就来看今天的问题吧。

题目描述

使用队列实现栈的下列操作：

push(x) — 元素 x 入栈

pop() — 移除栈顶元素

top() — 获取栈顶元素

empty() — 返回栈是否为空

注意:

  • 你只能使用队列的基本操作– 也就是 push to back, peek/pop from front, size, 和 is empty 这些操作是合法的；
  • 你所使用的语言也许不支持队列。你可以使用 list 或者 deque（双端队列）来模拟一个队列 , 只要是标准的队列操作即可；
  • 你可以假设所有操作都是有效的（例如, 对一个空的栈不会调用 pop 或者 top 操作）。

LeetCode 225：//leetcode-cn.com/problems/implement-stack-using-queues/

题目解析

这道题的题目很好理解：只需要将先进先出的队列，转换为后进先出的“栈”就可以了，我们可以从多个方向入手来实现此功能，比如使用两个队列插入并交换的方式，或者是一个队列插入再交换的方式，或双端队列的方式来实现此功能，具体实现方法和代码如下。

实现方法 1：两个队列实现栈

之前我们用两个栈实现了一个队列的文章中，主要使用的是「负负得正」的思想，那么当看到此道题时，首先应该想到的是用两个队列来实现一个栈，但这里的实现思路和用栈实现队列的思路又略有不同，因为队列都是先进先出的，我们可以把它理解为「正数」，那么也就不能用「负负得正」的思想了，我们这里使用两个队列来实现栈，主要的操作思路是先将元素插入一个临时队列中，然后再将另一个队列的所有元素插入到临时队列的尾部，从而实现后进先出功能的，具体的实现步骤如下。

步骤一

添加首个元素，入列到临时队列 queue2：
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步骤二

因为正式队列中无元素，因此无需将 queue1 中的元素移动到临时队列 queue2 的尾部，直接将临时队列和正式队列互换即可：
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步骤三

添加第二个元素，先入列到临时队列 queue2：
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步骤四

再将 queue1 中的元素移动到 queue2 的尾部，如下所示：

image.png

步骤五

再将 queue1 和 queue2 进行互换：
image.png

步骤六

执行出队操作：
image.png
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最终效果

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从最终的效果图我们可以看出，通过两个队列已经实现了后进先出的特性，也就是完成了从队列到栈的转换，实现代码如下：

import java.util.Queue;

class MyStack {

    Queue<Integer> queue1;
    Queue<Integer> queue2;

    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedBlockingQueue();
        queue2 = new LinkedBlockingQueue();
    }

    /**
     * 入栈
     */
    public void push(int x) {
        // 1.入列临时队列二
        queue2.offer(x);
        // 2.将队列一的所有元素移动到队列二
        while (!queue1.isEmpty()) {
            queue2.offer(queue1.poll());
        }
        // 3.队列一和队列二互换
        Queue<Integer> temp = queue1;
        queue1 = queue2;
        queue2 = temp;
    }

    /**
     * 出栈并返回此元素
     */
    public int pop() {
        return queue1.poll();
    }

    /**
     * 查询栈顶元素
     */
    public int top() {
        return queue1.peek();
    }

    /**
     * 判断是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty();
    }
}

我们在 LeetCode 中提交以上测试代码，执行结果如下：
image.png

此方法很稳，竟然击败了 100% 的用户。

实现方法 2：一个队列实现栈

那我们可以不可以用一个队列来实现栈呢？答案是肯定的。

我们只需要执行以下两个步骤就可以实现将队列转换为栈了，具体实现步骤如下：

  1. 将元素入列到队尾；
  2. 再将除队尾之外的所有元素移除并重写入列。

这样操作之后，最后进入的队尾元素反而变成了队头元素，也就实现了后进先出的功能了，如下图所示。

步骤一

元素 1 入列：
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步骤二

元素 2 入列：
image.png

步骤三

将最后一个元素之前的所有元素，也就是元素 1，出列重新入列：
image.png
image.png

步骤四

执行出队操作：
image.png

最终效果

image.png
以上思路的实现代码如下：

import java.util.Queue;

class MyStack {
    Queue<Integer> queue1;

    public MyStack() {
        queue1 = new LinkedBlockingQueue();
    }

    /**
     * 入栈
     */
    public void push(int x) {
        // 获取原队列长度（要移动的次数）
        int count = queue1.size();
        // 将元素放入队尾
        queue1.offer(x);
        // 将除最后一个元素外，其他的元素重新入队
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            System.out.println("for");
            queue1.offer(queue1.poll());
        }
    }

    /**
     * 出栈并返回此元素
     */
    public int pop() {
        return queue1.poll();
    }

    /**
     * 查询栈顶元素
     */
    public int top() {
        return queue1.peek();
    }

    /**
     * 判断是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return queue1.isEmpty();
    }
}

我们把以上代码在 LeetCode 中提交，执行结果如下：

image.png

此方法依旧很稳，也是同样的击败了 100% 的用户，只不过此方法在内存方面有更好的表现。

实现方法 3：双端队列实现栈

如果觉得以上方法比较难的话，最后我们还有一个更简单的实现方法，我们可以使用 Java 中的双端队列 ArrayDeque 来实现将元素可以插入队头或队尾，同样移除也是，那么这样我们就可以从队尾入再从队尾出，从而就实现了栈的功能了。

双端队列结构如下：

image.png

我们来演示一下用双端队列实现栈的具体步骤。

步骤一

元素 1 入队：
image.png

步骤二

元素 2 入队（队尾）：
image.png

步骤三

再从队尾出队：
image.png
image.png

最终效果

image.png
以上思路的实现代码如下：

import java.util.ArrayDeque;

class MyStack {
    ArrayDeque<Integer> deque;

    public MyStack() {
        deque = new ArrayDeque<>();
    }

    /**
     * 入栈
     */
    public void push(int x) {
        deque.offer(x);
    }

    /**
     * 出栈并返回此元素
     */
    public int pop() {
        return deque.pollLast();
    }

    /**
     * 查询栈顶元素
     */
    public int top() {
        return empty() ? -1 : deque.peekLast();
    }

    /**
     * 判断是否为空
     */
    public boolean empty() {
        return deque.isEmpty();
    }
}

我们把以上代码在 LeetCode 中提交，执行结果如下：
image.png

总结

本文我们用 3 种方法实现了将队列转换为栈，其中最简单的方法是用 Java 中自带的双端队列 ArrayDeque 从队尾入并从队尾出就实现了栈 ，其他两个方法使用的是普通队列，通过入队之后再移动元素到入队元素之后的方法，从而实现了栈的功能。

小伙伴们，你学会了吗？

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