解读栈与队列的互换实现原理

2024-02-02 18:19:13

在数据结构中，栈和队列是最基本的两种数据类型。它们各有特点：栈是后进先出（LIFO），而队列是先进先出（FIFO）。通过特定的方法，可以使用一种来模拟另一种的行为。

使用栈实现队列

要使用两个栈来实现一个队列，需要了解如何利用栈特性处理入队和出队操作。具体步骤如下：

入队： 将元素压入第一个栈。
出队： 如果第二个栈为空，则将第一个栈的全部元素依次弹出并压入第二个栈；然后从第二个栈中弹出顶部元素，即为队列的第一个元素。

这种方法确保了先进先出的行为。以下是使用Python实现此功能的代码示例：

class QueueUsingStacks:
    def __init__(self):
        self.stack1 = []
        self.stack2 = []

    def enqueue(self, value):
        # 入队操作，将元素添加到第一个栈中
        self.stack1.append(value)

    def dequeue(self):
        if not self.stack2:  # 第二个栈为空时
            while self.stack1:
                # 将第一个栈的所有元素转移到第二个栈
                self.stack2.append(self.stack1.pop())
        # 弹出并返回第二个栈的顶部元素
        return self.stack2.pop() if self.stack2 else "Queue is empty"

queue = QueueUsingStacks()
queue.enqueue(1)
queue.enqueue(2)
print(queue.dequeue())  # 输出：1

使用队列实现栈

通过两个队列，可以模拟出栈的数据结构。其基本操作包括入栈和出栈。

入栈： 将元素添加到第一个队列中。
出栈： 如果第二个队列为空，则将第一个队列的全部元素（除了最后一个）依次移至第二个队列；然后将剩余的一个元素弹出，即为栈顶元素。随后交换两个队列的角色。

这种方法确保了后进先出的行为。以下是Python实现：

class StackUsingQueues:
    def __init__(self):
        self.queue1 = []
        self.queue2 = []

    def push(self, value):
        # 入栈操作，将元素添加到第一个队列中
        self.queue1.append(value)

    def pop(self):
        while len(self.queue1) > 1:
            # 将除了最后一个外的所有元素移动至第二个队列
            self.queue2.append(self.queue1.pop(0))
        # 弹出并返回最后一个元素，即栈顶元素
        res = self.queue1.pop()
        
        # 交换两个队列的角色
        temp = self.queue1
        self.queue1 = self.queue2
        self.queue2 = temp
        
        return res

stack = StackUsingQueues()
stack.push(1)
stack.push(2)
print(stack.pop())  # 输出：2