LeetCode通关：栈和队列六连，匹配问题有绝招

刷题路线参考：

https://github.com/chefyuan/algorithm-base

https://github.com/youngyangyang04/leetcode-master

大家好，我是靠写博客督促自己刷题的老三，这一节我们对线栈和队列。

栈和队列基础

在正式开刷之前，我们先了解一些栈和队列的基础知识。

栈的结构

栈是一种先进后出的顺序表结构。

栈的结构比较简单，就不多了。

栈的实现

因为栈是一个线性表表，因此，线性表支持栈的操作，ArrayList 和 LinkedList 都可以作为栈来使用。

可以直接使用 Stack 类来进行创建一个栈，这个继承的是过期。

Deque<TreeNode> stack = new LinkedList<TreeNode>();//类型为TreeNode
Stack<TreeNode> stack = new Stack<TreeNode>();

队列结构

队列是一种先进先出的数据结构

队列实现

队列也是表结构，比较常用的是由LinkedList实现。

  Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<TreeNode>();

好了，两种数据结构也比较简单，开始我们的刷题之旅吧！

刷题现场

剑指 Offer 09. 用两个栈实现队列

题目：剑指 Offer 09. 用两个栈实现队列(https://leetcode-cn.com/problems/yong-liang-ge-zhan-shi-xian-dui-lie-lcof/)

难度：简单

描述：

用两个栈实现一个队列。队列的声明如下，请实现它的两个函数 appendTail 和 deleteHead ，分别完成在队列尾部插入整数和在队列头部删除整数的功能。(若队列中没有元素，deleteHead 操作返回 -1 )

示例 1：

输入：
["CQueue","appendTail","deleteHead","deleteHead"]
[[],[3],[],[]]
输出：[null,null,3,-1]

示例 2：

输入：
["CQueue","deleteHead","appendTail","appendTail","deleteHead","deleteHead"]
[[],[],[5],[2],[],[]]
输出：[null,-1,null,null,5,2]

思路：

栈是先进后出，队列是先进先出的数据结构。

那怎么用栈模拟队列呢？

需要两个栈，一个作为队头 headStack，一个作为队尾 tailStack。

• tailStack 作为队尾，模拟入队操作，当有一个元素入队时，则将其 push 到tailStack 栈顶。
• headStack 作为队头，模拟出队操作，当有一个元素出队时，则将 headStack 栈顶的元素 pop。
• 当 headStack 中没有元素时，将 tailStack 中所有的元素都 push 进 headStack 中。

这样一来，就用两个栈模拟了队列的出入顺序。

我们来看一下代码实现：

public class CQueue {

    //定义两个栈
    Deque<Integer> headStack, tailStack;

    public CQueue() {
        headStack = new LinkedList<>();
        tailStack = new LinkedList<>();
    }

    //入队
    public void appendTail(int value) {
        //入队，往tailStack中压入值
        tailStack.push(value);
    }

    //出队
    public int deleteHead() {
        //如果队头为空
        if (headStack.isEmpty()) {
            //则将 tailStack （队尾）的元素全部出栈，再压入headStack
            while (!tailStack.isEmpty()) {
                headStack.push(tailStack.pop());
            }
        }
        if (headStack.isEmpty()) {
            return -1;
        }
        return headStack.pop();
    }
}

时间复杂度：入队O(1，出队O(n)。

空间复杂度：引入了两个栈，所以空间复杂度O(n)。

还有一道题，LeetCode232. 用栈实现队列 基本是一样的。

LeetCode225. 用队列实现栈

题目：225. 用队列实现栈 (https://leetcode-cn.com/problems/implement-stack-using-queues/)

难度：简单

描述：

请你仅使用两个队列实现一个后入先出（LIFO）的栈，并支持普通栈的全部四种操作（push、top、pop 和 empty）。

实现 MyStack 类：

• void push(int x) 将元素 x 压入栈顶。
• int pop() 移除并返回栈顶元素。
• int top() 返回栈顶元素。
• boolean empty() 如果栈是空的，返回 true ；否则，返回 false 。

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。
• 你所使用的语言也许不支持队列。 你可以使用 list （列表）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。

示例：

输入：
["MyStack", "push", "push", "top", "pop", "empty"]
[[], [1], [2], [], [], []]
输出：
[null, null, null, 2, 2, false]

解释：
MyStack myStack = new MyStack();
myStack.push(1);
myStack.push(2);
myStack.top(); // 返回 2
myStack.pop(); // 返回 2
myStack.empty(); // 返回 False

思路：

这道题，实不相瞒，乍一看，我有点想偷懒，因为如果用一个双向队列的话：

是不是啪一下就实现了，但是题目里面也说了，标准队列操作，所以我们还是用单向队列。

那我们怎么实现呢？

很简单，入栈的时候，我们利用队列先进先出的特点，每次队列模拟入栈时，我们先将队列之前入队的元素都出队，仅保留最后一个进队的元素。

然后再重新入队，这样就实现了颠倒队列中的元素，这样就和栈中的次序是一样的了。

代码实现如下：

public class MyStack {
    //单向队列
    Queue<Integer> queue;

    /**
     * Initialize your data structure here.
     */
    public MyStack() {
        queue = new LinkedList<>();
    }

    /**
     * Push element x onto stack.
     */
    public void push(int x) {
        //入队元素
        queue.offer(x);
        //将之前的元素，出队，重新入队
        for (int i = 0; i < queue.size() - 1; i++) {
            queue.offer(queue.poll());
        }
    }

    /**
     * Removes the element on top of the stack and returns that element.
     */
    public int pop() {
        return queue.poll();
    }

    /**
     * Get the top element.
     */
    public int top() {
        return queue.peek();
    }

    /**
     * Returns whether the stack is empty.
     */
    public boolean empty() {
        return queue.isEmpty();
    }
}

时间复杂度：入栈O(n），出栈O(1)。

空间复杂度：引入了队列，空间复杂度O(n)。

LeetCode20. 有效的括号

题目：20. 有效的括号 (https://leetcode-cn.com/problems/valid-parentheses/)

难度：简单

描述：

给定一个只包括 '('，')'，'{'，'}'，'['，']' 的字符串 s ，判断字符串是否有效。

有效字符串需满足：

• 左括号必须用相同类型的右括号闭合。
• 左括号必须以正确的顺序闭合。

示例 1：

输入：s = "()"
输出：true

示例 2：

输入：s = "()[]{}"
输出：true

示例 3：

输入：s = "(]"
输出：false

示例 4：

输入：s = "([)]"
输出：false

示例 5：

输入：s = "{[]}"
输出：true

提示：

• 1 <= s.length <= 104
• s 仅由括号 '()[]{}' 组成

思路：

这是一道经典的栈的应用的题目。

思路是什么呢？

碰到左括号把元素入栈，碰到右括号就和栈顶元素比较，如果相同就把栈顶元素出栈，不匹配，就直接返回false。

代码如下：注意处理栈为空的情况

    public boolean isValid(String s) {
        Deque<Character> stack = new LinkedList<>();
        //遍历字符串
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            char c = s.charAt(i);
            //遇到左括号，入栈
            if (c == '(' || c == '[' || c == '{') {
                stack.push(c);
            }
            //右括号匹配
            if (c == ')') {
                if (stack.isEmpty() || stack.pop() != '(') {
                    return false;
                }
            }
            if (c == ']') {
                if (stack.isEmpty() || stack.pop() != '[') {
                    return false;
                }
            }
            if (c == '}') {
                if (stack.isEmpty() || stack.pop() != '{') {
                    return false;
                }
            }
        }
        return stack.isEmpty();
    }

时间复杂度：O(n）。

空间复杂度：O(n)。

LeetCode1047. 删除字符串中的所有相邻重复项

给出由小写字母组成的字符串 S，重复项删除操作会选择两个相邻且相同的字母，并删除它们。

在 S 上反复执行重复项删除操作，直到无法继续删除。

在完成所有重复项删除操作后返回最终的字符串。答案保证唯一。

示例：

输入："abbaca"
输出："ca"
解释：
例如，在 "abbaca" 中，我们可以删除 "bb" 由于两字母相邻且相同，这是此时唯一可以执行删除操作的重复项。之后我们得到字符串 "aaca"，其中又只有 "aa" 可以执行重复项删除操作，所以最后的字符串为 "ca"。

思路：

这道题是不是和上道题差不多。

遍历字符，如果字符和栈顶元素匹配，就把栈顶元素出栈。

如果不匹配，就把元素入栈。

这样一来，栈里最后剩下的都是相邻不相同的元素。

代码如下：最后出栈的元素需要倒转

    public String removeDuplicates(String s) {
        Deque<Character> stack = new LinkedList<>();
        //遍历字符串
        for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
            char c = s.charAt(i);
            if (stack.isEmpty() || stack.peek() != c) {
                //入栈
                stack.push(c);
            } else {
                //栈顶元素出栈
                stack.pop();
            }
        }
        //拼接栈中字符
        StringBuilder str = new StringBuilder();
        while (!stack.isEmpty()) {
            str.append(stack.pop());
        }
        return str.reverse().toString();
    }

时间复杂度：O(n）。

空间复杂度：O(n)。

LeetCode150. 逆波兰表达式求值

题目：150. 逆波兰表达式求值 (https://leetcode-cn.com/problems/evaluate-reverse-polish-notation/)

难度：中等

描述：

根据逆波兰表示法，求表达式的值。

有效的算符包括 +、-、*、/ 。每个运算对象可以是整数，也可以是另一个逆波兰表达式。

说明：

• 整数除法只保留整数部分。

• 给定逆波兰表达式总是有效的。换句话说，表达式总会得出有效数值且不存在除数为 0 的情况。

示例 1：

输入：tokens = ["2","1","+","3","*"]
输出：9
解释：该算式转化为常见的中缀算术表达式为：((2 + 1) * 3) = 9

示例 2：

输入：tokens = ["4","13","5","/","+"]
输出：6
解释：该算式转化为常见的中缀算术表达式为：(4 + (13 / 5)) = 6

示例 3：

输入：tokens = ["10","6","9","3","+","-11","*","/","*","17","+","5","+"]
输出：22
解释：
该算式转化为常见的中缀算术表达式为：
  ((10 * (6 / ((9 + 3) * -11))) + 17) + 5
= ((10 * (6 / (12 * -11))) + 17) + 5
= ((10 * (6 / -132)) + 17) + 5
= ((10 * 0) + 17) + 5
= (0 + 17) + 5
= 17 + 5
= 22

逆波兰表达式：

逆波兰表达式是一种后缀表达式，所谓后缀就是指算符写在后面。

• 平常使用的算式则是一种中缀表达式，如 ( 1 + 2 ) * ( 3 + 4 ) 。
• 该算式的逆波兰表达式写法为 ( ( 1 2 + ) ( 3 4 + ) * ) 。

逆波兰表达式主要有以下两个优点：

• 去掉括号后表达式无歧义，上式即便写成 1 2 + 3 4 + * 也可以依据次序计算出正确结果。
• 适合用栈操作运算：遇到数字则入栈；遇到算符则取出栈顶两个数字进行计算，并将结果压入栈中。

思路：

看到没，这道题的提示里面就给出了思路：

适合用栈操作运算：遇到数字则入栈；遇到算符则取出栈顶两个数字进行计算，并将结果压入栈中。

代码实现如下：

    public int evalRPN(String[] tokens) {
        Deque<Integer> stack = new LinkedList<>();
        for (int i = 0; i < tokens.length; i++) {
            String s = tokens[i];
            if (isNumber(s)) {
                stack.push(Integer.parseInt(s));
            } else {
                int num1 = stack.pop();
                int num2 = stack.pop();
                if (s.equals("+")) {
                    stack.push(num1 + num2);
                } else if (s.equals("-")) {
                    stack.push(num2 - num1);
                } else if (s.equals("*")) {
                    stack.push(num1 * num2);
                } else if (s.equals("/")) {
                    stack.push(num2 / num1);
                }
            }

        }
        return stack.pop();
    }

    boolean isNumber(String token) {
        return !("+".equals(token) || "-".equals(token) || "*".equals(token) || "/".equals(token));
    }

时间复杂度：O(n）。

空间复杂度：O(n)。

LeetCode402. 移掉 K 位数字

题目：150. 逆波兰表达式求值 (https://leetcode-cn.com/problems/evaluate-reverse-polish-notation/)

难度：中等

描述：

给你一个以字符串表示的非负整数 num 和一个整数 k ，移除这个数中的 k 位数字，使得剩下的数字最小。请你以字符串形式返回这个最小的数字。

示例 1 ：

输入：num = "1432219", k = 3
输出："1219"
解释：移除掉三个数字 4, 3, 和 2 形成一个新的最小的数字 1219 。

示例 2 ：

输入：num = "10200", k = 1
输出："200"
解释：移掉首位的 1 剩下的数字为 200. 注意输出不能有任何前导零。

示例 3 ：

输入：num = "10", k = 2
输出："0"
解释：从原数字移除所有的数字，剩余为空就是 0 。

思路：

• 遍历字符串 s，若当前栈不为空并且栈顶元素的值大于当前遍历的元素值并且移除元素的个数没有达到要求 k，则栈顶元素出栈，count 值加 1。

• 若当前遍历的元素比栈顶元素的值要大，则直接将该元素压栈。

• 若当前遍历的元素值为 " 0 " 并且栈为空，则直接跳过这次循环（要保证栈底的元素不能为 " 0 "，因为题目要求 num 不会包含任何前导零，就是不能用 " 0 " 来开头）。

• 若遍历完整个字符串而 count < k（移除的元素个数没有达到要求，示例：num = "123456", k = 3），此时直接将栈中的前三个元素依次出栈，即 " 654 " 出栈剩下的 " 321 " 翻转一下，即为最小值。

• 若当前栈为空（去掉一个最大的元素后，其余元素均为 " 0 "），则直接返回 " 0 " 即可。

代码如下：

    public String removeKdigits(String num, int k) {
        if (k == num.length()) return "0";
        //栈
        Deque<Character> stack = new LinkedList<>();
        int count = 0;
        for (int i = 0; i < num.length(); i++) {
            while (!stack.isEmpty() && stack.peek() > num.charAt(i) && count < k) {
                stack.pop();
                count++;
            }
            //栈为空，且当前位为0时，我们不需要将其入栈
            if (num.charAt(i) == '0' && stack.isEmpty()) continue;
            stack.push(num.charAt(i));
        }
        while (!stack.isEmpty() && count < k) {
            stack.pop();
            count++;
        }
        //这个是最后栈为空时，删除一位，比如我们的10，删除一位为0，
        //按上面逻辑我们会返回""，所以我们让其返回"0"
        if (stack.isEmpty()) return "0";
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        while (!stack.isEmpty()) {
            sb.append(stack.pop());
        }
        return sb.reverse().toString();
    }

总结

大家熟悉的顺口溜总结：

简单的事情重复做，重复的事情认证做，认证的事情有创造性地做。——

我是三分恶，一个能文能武的全栈开发。

点赞、关注不迷路，咱们下期见。

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参考：

[1]. https://github.com/youngyangyang04/leetcode-master

[2]. https://github.com/chefyuan/algorithm-base

[3]. https://leetcode-cn.com/problems/remove-k-digits/solution/yi-diao-kwei-shu-zi-zhan-by-booooo_-01nh/