【LeetCode】【数据结构】栈与队列必刷OJ题

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前言：

【LeetCode】20.有效的括号（栈的括号匹配问题）

【LeetCode】225.用队列实现栈

【LeetCode】232.用栈实现队列

【LeetCode】622.设计循环队列

前言：

本篇文章博主会给大家推荐几道栈与队列的必刷OJ题，并提供思路分析及原码（包含栈与队列的实现）。

欢迎大家📂收藏📂以便未来做题时可以快速找到思路，巧妙的方法可以事半功倍。

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【LeetCode】20.有效的括号（栈的括号匹配问题）

原题链接：🍏有效的括号🍏

题目：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。
每个右括号都有一个对应的相同类型的左括号。

根据栈“先入后出”的特性，我们可以利用栈的数据结构进行检验。

当遇到左括号时，入栈，遇到右括号出栈。

最后检查栈中是否还堆积有元素，如果有证明匹配失败，如果栈空，证明匹配成功。

代码实现：

typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
	STDataType* a;
	int top;
	int capacity;
}ST;

// 初始化
void STInit(ST* ps)
{
	assert(ps);

	ps->a = NULL;
	ps->capacity = 0;
	ps->top = 0;
}

// 销毁
void STDestroy(ST* ps)
{
	assert(ps);

	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}

// 入栈
void STPush(ST* ps, STDataType x)
{
	assert(ps);
	if (ps->capacity == ps->top)
	{
		int newcapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : 2 * ps->capacity;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a,newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp==NULL)
		{
			perror("realloc fail");
			exit(-1);
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}
	ps->a[ps->top]=x;
	ps->top++;
}

// 出栈
void STPop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);

	ps->top--;
}

// 取栈顶元素
STDataType STTop(ST* ps)
{
	assert(ps);
	assert(ps->top > 0);
	return ps->a[ps->top-1];
}

// 判空
bool STEmpty(ST* ps)
{
	assert(ps);

	return ps->top == 0;
}

// 检验是否匹配
bool isValid(char * s)
{
    ST st;
    STInit(&st);
    char val;
    while(*s)
    {
        if(*s=='('||*s=='{'||*s=='[')
        {
            STPush(&st,*s);// 是左括号 入栈
        }
        else
        {
            if(STEmpty(&st))// 排除 首个字符为右括号的情况
            {
                STDestroy(&st);
                return false;
            }
            val=STTop(&st);// 取栈顶字符判断
            STPop(&st);
            if((*s==')'&& val!='(')
            ||(*s==']' && val!='[')
            ||(*s=='}' && val!='{'))// 左右括号不匹配
            {
                STDestroy(&st);
                return false;
            }
        }
        s++;
    }
    bool ret=STEmpty(&st);// 判断数量是否匹配
    STDestroy(&st);
    return ret;
}

【LeetCode】225.用队列实现栈

原题链接：🍏用队列实现栈🍏

题目：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 。

首先我们知道队列的特性是先入先出，栈的特性是先入后出，题目既然给了我们两个队列，那么一定是利用这两个队列进行捯数据，从而实现栈先入后出的特性。

思路：

每次入栈，利用不空的队列入数据；
当需要出栈时，将非空队列“出队”到空的队列上，直到剩余最后一个元素，取该元素，然后出队，即完成出栈动作。
当需要取栈顶元素时，只需要取非空队列的队尾，此时该队尾即为栈顶元素。
当需要判空时，只需要判断两个队列是否都为空即可。

注意：该题主要考察的其实是大家对于结构的理解，如形参MyStack* obj，实参对应为&obj->q1或&obj->q2，&操作符的优先级低于->，obj是该栈指针，obj->q1为队列结构体，但由于参数为指针类型，所以需要&。

代码实现：

// 队列的基本函数
typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{
	struct QueueNode* next;
	QDataType data;
}QNode;

typedef struct Queue
{
	QNode* head;
	QNode* tail;
	int size;
}Que;

void QueueInit(Que* pq)
{
	assert(pq);

	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

bool QueueEmpty(Que* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->head == NULL;
}

void QueueDestroy(Que* pq)
{
	assert(pq);

	QNode* cur = pq->head;
	while (cur)
	{
		QNode* next = cur->next;
		free(cur);
		cur = next;
	}

	pq->head = pq->tail = NULL;
	pq->size = 0;
}

void QueuePush(Que* pq, QDataType x)
{
	assert(pq);

	QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));
	if (newnode == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	newnode->data = x;
	newnode->next = NULL;

	if (pq->tail == NULL)
	{
		pq->tail = pq->head = newnode;
	}
	else
	{
		pq->tail->next = newnode;
		pq->tail = newnode;
	}
	pq->size++;
}

void QueuePop(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	if (pq->head->next == NULL)
	{
		free(pq->head);
		pq->head = pq->tail = NULL;
	}
	else
	{
		QNode* next = pq->head->next;
		free(pq->head);
		pq->head = next;
	}
	pq->size--;
}

QDataType QueueFront(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->head->data;
}

QDataType QueueBack(Que* pq)
{
	assert(pq);
	assert(!QueueEmpty(pq));

	return pq->tail->data;
}

int QueueSize(Que* pq)
{
	assert(pq);

	return pq->size;
}

// 以上为队列的基本函数
// 以下为用队列实现栈

// 定义栈
typedef struct
{
	Que q1;
	Que q2;
} MyStack;

// 创建栈
MyStack* myStackCreate()
{
	MyStack* pst = (MyStack*)malloc(sizeof(MyStack));
	QueueInit(&pst->q1);
	QueueInit(&pst->q2);

	return pst;
}

// 入栈
void myStackPush(MyStack* obj, int x)
{
	if (!QueueEmpty(&obj->q1))
	{
		QueuePush(&obj->q1, x);
	}
	else
	{
		QueuePush(&obj->q2, x);
	}
}
 
// 出栈
int myStackPop(MyStack* obj)
{
    // 假设法，假设q1为空，q2不空
	Que* EmpQue = &obj->q1;
	Que* noEmpQue = &obj->q2;
	if (!QueueEmpty(&obj->q1))
	{
		noEmpQue = &obj->q1;
		EmpQue = &obj->q2;
	}
    // 此时EmpQue一定为空的队列，noEmpQue 一定不为空的队列
    
    // 将size-1个数据移动到空队列中
	while (QueueSize(noEmpQue) > 1)
	{
		QueuePush(EmpQue, QueueFront(noEmpQue));
		QueuePop(noEmpQue);
	}
    //保存返回值
	int ret = QueueFront(noEmpQue);
	QueuePop(noEmpQue);

	return ret;
}

// 取栈顶元素
int myStackTop(MyStack* obj)
{
    // 不空的队列的队尾即为栈顶
	if (!QueueEmpty(&obj->q1))
	{
		return QueueBack(&obj->q1);
	}
	else
	{
		return QueueBack(&obj->q2);
	}
}

// 判空
bool myStackEmpty(MyStack* obj)
{
	return QueueEmpty(&obj->q1) && QueueEmpty(&obj->q2);
}

// 销毁栈
void myStackFree(MyStack* obj)
{
	QueueDestroy(&obj->q1);
	QueueDestroy(&obj->q2);

    // free栈之前一定要先销毁队列，否则会导致内存泄露
	free(obj);
}

【LeetCode】232.用栈实现队列

原题链接：🍏用栈实现队列🍏

题目：请你仅使用两个栈实现先入先出队列。队列应当支持一般队列支持的所有操作（push、pop、peek、empty）：
实现 MyQueue 类：
void push(int x) 将元素 x 推到队列的末尾
int pop() 从队列的开头移除并返回元素
int peek() 返回队列开头的元素
boolean empty() 如果队列为空，返回 true ；否则，返回 false

与上面用队列实现栈的思路相似，需要两个栈用来捯数据，不同的是，分析过后你会发现这里的两个栈，一个可以固定用来做入队栈（下面统称为pushst），而另外一个固定用来做出队栈（下面统称为popst）。

思路：

入队时，直接push到pushst即可；
出队时，需要进行判断，当popst不为空时，直接出栈popst，注意保存栈顶元素以便返回；当popst为空时，需要将pushst的数据依次捯到popst中，然后出栈popst，同样注意保存栈顶元素以便返回；
返回队头元素时，我们可以写一个返回栈底元素的函数，然后同样进行判断，如果popst为空，我们就返回pushst的栈底；如果popst不为空，我们就返回popst的栈顶即可；
判空时，思路与用队列实现栈相同。

代码实现：

typedef struct 
{
    ST s1;//入队栈pushst
    ST s2;//出队栈popst
} MyQueue;


MyQueue* myQueueCreate() 
{
    MyQueue* pst = (MyQueue*)malloc(sizeof(MyQueue));
    STInit(&pst->s1);
    STInit(&pst->s2);
    return pst;
}

void myQueuePush(MyQueue* obj, int x) 
{
    STPush(&obj->s1,x);
}

int myQueuePop(MyQueue* obj) 
{
    if(!STEmpty(&obj->s2))
    {
				int x=STTop(&obj->s2);
        STPop(&obj->s2);
        return x;
    }
    else
    {
        while(!STEmpty(&obj->s1))
        {
						int x=STTop(&obj->s1);
            STPop(&obj->s1);
            STPush(&obj->s2,x);
        }
        int y=STTop(&obj->s2);
				STPop(&obj->s2);
        return y;
    }
}

int myQueuePeek(MyQueue* obj) 
{
    if(STEmpty(&obj->s2))
    {
        return STbase(&obj->s1);
    }
    else
    {
        return STTop(&obj->s2);
    }
}

bool myQueueEmpty(MyQueue* obj) 
{
    return STEmpty(&obj->s1)&&STEmpty(&obj->s2);
}

void myQueueFree(MyQueue* obj) 
{
    STDestroy(&obj->s1);
    STDestroy(&obj->s2);
    free(obj);
}

【LeetCode】622.设计循环队列

原题链接：🍏设计循环队列🍏

题目：设计你的循环队列实现。循环队列是一种线性数据结构，其操作表现基于 FIFO（先进先出）原则并且队尾被连接在队首之后以形成一个循环。它也被称为“环形缓冲器”。
循环队列的一个好处是我们可以利用这个队列之前用过的空间。在一个普通队列里，一旦一个队列满了，我们就不能插入下一个元素，即使在队列前面仍有空间。但是使用循环队列，我们能使用这些空间去存储新的值。
你的实现应该支持如下操作：
MyCircularQueue(k): 构造器，设置队列长度为 k 。
Front: 从队首获取元素。如果队列为空，返回 -1 。
Rear: 获取队尾元素。如果队列为空，返回 -1 。
enQueue(value): 向循环队列插入一个元素。如果成功插入则返回真。
deQueue(): 从循环队列中删除一个元素。如果成功删除则返回真。
isEmpty(): 检查循环队列是否为空。
isFull(): 检查循环队列是否已满。

由于题目中已经明确队列长度，所以定长数组是一个较优的解决方案。

该题目最要首先理解的两个函数为判空和判满。

判空：我们首先肯定会想到当front和rear相等时，即为空。

那么问题来了，如何判满呢？

貌似判空和判满都可以利用front和rear是否相等来判断，如何区分呢？

判满：普遍的解决方案为牺牲一个空间，让该数组始终留有一个空间，用作区分，那么就有以下几种情况，请试着依据下图总结规律，得到判满通用公式。

判满公式：(rear+1)%(k+1)==front

只要了解了这个思想，剩下的就简单很多了。

代码实现：

typedef struct 
{
    int* a;
    int front;
    int rear;
    int k;
} MyCircularQueue;

MyCircularQueue* myCircularQueueCreate(int k) 
{
    MyCircularQueue* obj=(MyCircularQueue*)malloc(sizeof(MyCircularQueue));
    obj->a=(int*)malloc(sizeof(int)*(k+1));
    obj->front=obj->rear=0;
    obj->k=k;
    return obj;
}

bool myCircularQueueIsEmpty(MyCircularQueue* obj) 
{
    return obj->front==obj->rear;
}

bool myCircularQueueIsFull(MyCircularQueue* obj) 
{
    return (obj->rear+1)%(obj->k+1)==obj->front;
}

bool myCircularQueueEnQueue(MyCircularQueue* obj, int value) 
{
    if(myCircularQueueIsFull(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->a[obj->rear]=value;
    obj->rear++;
    obj->rear%=obj->k+1;
    return true;
}

bool myCircularQueueDeQueue(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
    {
        return false;
    }
    obj->front++;
    obj->front%=(obj->k+1);
    return true;
}

int myCircularQueueFront(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->a[obj->front];
}

int myCircularQueueRear(MyCircularQueue* obj) 
{
    if(myCircularQueueIsEmpty(obj))
        return -1;
    else
        return obj->a[(obj->rear+obj->k)%(obj->k+1)];
}

void myCircularQueueFree(MyCircularQueue* obj) 
{
    free(obj->a);
    free(obj);
}

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