栈和队列的基础知识 + 栈的经典应用—匹配
- 栈和队列基础知识
- 232. 用栈实现队列
- 225. 用队列实现栈
- 20. 有效的括号
- 1047. 删除字符串中的所有相邻重复项
栈和队列基础知识
数据结构课程介绍线性结构的时候，介绍有线性表、链表、栈和队列。线性表，比如array、vector可以直接用下标定位到相应元素，但是删除元素时，需要移动其他元素，不能原地删除；链表不能用下标定位，是通过指针来定位到相应元素的地址空间，但添加or删除元素时，时间复杂度是O(1)的；栈和队列是比较特殊的线性结构，特殊在于栈和队列中的元素不能随意的访问——对于栈，只能访问栈顶元素（用top()方法），只能向栈顶添加元素（用push()方法），只能从栈顶取元素（用pop()方法）。我们可以把栈看作是一个瓶子，依次从瓶口（即栈顶）扔进去乒乓球，倒出来的时候不能从瓶底拿，也只能从瓶口，而且拿出来的顺序跟放进去的是反的，即先进后出，后进先出；对于队列，则有两个开口，可以看作有两个口的管道，从一个方向把球塞进去（push()），从另外一个方向取出来（pop()），那么取出来的顺序还是和塞进去的顺序一样的，即先进先出，后进后出。
C++ STL中stack和queue实际上并不是容器，而是容器适配器。比如声明一个stack变量的语句是stack<typename T, typename Container = deque<T>> ，如果不说明是用什么容器，就默认用deque，如果说明了用vector，用的就是vector——stack<int, vector<int> > mystk。
C++STL中stack的成员函数及作用如下表：
| 成员函数 | 作用 |
|---|---|
size() | 返回堆栈中元素的数量 |
empty() | 检查堆栈是否为空。如果堆栈为空，则返回true；否则，返回false |
top() | 返回堆栈顶部元素的引用，但不会删除该元素；如果堆栈为空，则行为是未定义的 |
pop() | 从堆栈的顶部移除元素，但不返回其值；如果堆栈为空，则行为是未定义的 |
push(const T& value) | 将元素插入到堆栈的顶部；参数value是要插入的元素的值 |
emplace(Args&&... args) | 通过在堆栈的顶部构造一个新的元素来插入元素；参数args是用于构造元素的参数 |
这里注意push()和emplace()两个成员函数都能实现在向栈顶压入一个元素，但是push要先创建value的副本，而emplace是直接插入元素。总之emplace效率更高。……但我不是很懂……
queue的成员函数及作用如下表：
| 成员函数 | 作用 |
|---|---|
empty() | 检查队列是否为空。如果队列为空，则返回true；否则，返回false |
size() | 返回队列中元素的数量 |
front() | 返回队列头部的元素的引用，但不会删除该元素；如果队列为空，则行为是未定义的 |
back() | 返回队列尾部的元素的引用，但不会删除该元素；如果队列为空，则行为是未定义的 |
pop() | 从队列的头部移除元素，但不返回其值；如果队列为空，则行为是未定义的 |
push(const T& value) | 将元素插入到队列的尾部；参数value是要插入的元素的值 |
emplace(Args&&... args) | 通过在队列的尾部构造一个新的元素来插入元素；参数args是用于构造元素的参数 |
232. 用栈实现队列
题目链接：232. 用栈实现队列
题目内容：
思路：栈是先入后出的，push和pop都只能在栈顶；但是队列是对头方向pop，队尾方向实现push。根据这俩的特性，可以知道对于push操作是没有差异的，直接末尾push就好。对于pop，先入栈的元素在栈的底端，如何才能先出栈？——因为题目中说了可以用两个栈，那么一个栈A用作入队，一个栈B用作出队。压入栈A中的元素，再依次取出并压入栈B，栈B的出栈顺序就和队列的出队顺序一样了。比如下图，依次入队是（出队也是）1，2，3，4，先放入栈A，再将栈A的元素依次取出并放入栈B，此时栈B内元素的出栈顺序也是1，2，3，4了。
因此出队pop()操作就是将栈A的元素全部依次取出并放入栈B中。 但是当栈B不为空的时候呢？ 这里需要意识到栈B中所有的元素都是在栈A之前的，如果栈B不为空，就直接pop栈顶元素，即为队头元素；如果栈B为空，再从栈A中取出元素放入栈B。
代码如下（C++）：
class MyQueue {
private://两个栈，一个用于出队，一个用于入队stack<int> InStack;stack<int> OutStack;
public:MyQueue() {}//push直接在入队栈的栈顶push就好 void push(int x) {InStack.push(x);}int pop() {//如果出堆栈为空，先将入队栈的元素依次取出并push进出队栈if(OutStack.empty()){while(!InStack.empty()){OutStack.push(InStack.top());InStack.pop();}}//直接从出队栈栈顶pop，即为队头元素int result = OutStack.top();OutStack.pop();return result;}//peek是返回队头元素但是不删除，可以复用pop的代码，只是需要push回去int peek() {int result = this->pop();OutStack.push(result);return result;}//入队栈和出队栈都为空才为空bool empty() {if(InStack.empty() && OutStack.empty())return true;return false;}
};
225. 用队列实现栈
题目链接：225. 用队列实现栈
题目内容：
前面用栈实现队列里说到，push的时候直接push就行，现在用队列实现栈也是，push的时候直接在队列的末尾push就好。题目说用两个队列，实际上用一个队列即可。用栈实现队列的时候两个栈各有作用，一个入队栈一个出队栈，将一个栈的元素依次取出再push到另外一个栈能够实现出栈顺序的颠倒。但是对于队列，一个队列的元素依次取出再放入另外一个队列，实际还是一样的顺序，而这个操作可以通过将队头元素pop()后直接push到队尾来实现，因此只需要一个队列即可。
所以，对于栈的pop，需要找到队列的末尾元素，从队头方向，依次取出元素再push到末尾，直到之前的队尾元素现在在队头了【循环size-1次】，直接pop。
代码如下（C++）：
class MyStack {
private://用于实现栈的队列，只需要一个queue<int> que1;
public:MyStack() {}//直接队列末尾push即可void push(int x) {que1.push(x);}//将队头元素pop再push到队尾，循环size-1次，栈顶的元素就到了队头了int pop() {int size = que1.size() - 1;int top;//循环size-1次while(size){top = que1.front();que1.pop();que1.push(top);size--;}//队头元素top = que1.front();que1.pop();return top; }//栈顶即队尾元素，queue有直接取队尾元素的成员函数int top() {return que1.back();}//队列不为空，栈就不为空；队列空了栈也空了 bool empty() {return que1.empty();}
};
20. 有效的括号
题目链接：20. 有效的括号
题目内容：
有效括号可以概括为两点：
- 每个左括号都有一个对应的类型的右括号闭合；每个右括号都能与一个对应类型的左括号闭合；即每种类型的左括号和右括号数量要一样，有2个"(“，就得有2个”)"；
- 左括号必须以正确的顺序闭合，比如"( [ ) ]“就是不正确的，应该让”["先闭合；
基于以上两个特点，我们可以用栈来完成这个题目。是左括号"(" “[” "{"就入栈；是右括号就判断后栈顶的左括号是否匹配【保证左括号以正确的顺序闭合——内层的括号先闭合】。
如果最终多了右括号或者左括号就说明是不匹配的。
代码实现（C++）：
class Solution {
public:bool isValid(string s) {//括号数量是奇数一定不能正确匹配if(s.size() & 1)return false;stack<char> buff; //存左括号for(int i = 0; i < s.size(); i++){//是左括号，就直接入栈if(s[i] == '(' || s[i] == '[' || s[i] == '{')buff.push(s[i]);//是右括号，并且左括号栈不为空else if(!buff.empty()){//如果和栈顶括号匹配if(s[i] == ')' && buff.top() == '('||s[i] == ']' && buff.top() == '['||s[i] == '}' && buff.top() == '{') buff.pop(); //栈顶左括号出栈，表示已经匹配了else //和栈顶左括号不匹配直接返回falsereturn false;}else //是右括号，但是左括号栈为空，直接返回falsereturn false;}//右括号匹配完了，如果栈内还要左括号返回false，如果左括号栈也为空，返回truereturn buff.empty() ? true : false;}
};
可以用map来存左右括号的对应关系，简化代码：
class Solution {
public:bool isValid(string s) {if(s.size() & 1)return false;unordered_map <char,char> pairs;//左右括号对应关系pairs['('] = ')';pairs['['] = ']';pairs['{'] = '}';//存储左括号stack<char> zuo;for(char ch : s){//左括号直接入栈if(pairs.count(ch))zuo.push(ch);//右括号else{//左括号为空，或者栈顶左括号和当前右括号不匹配if(zuo.empty() || ch != pairs[zuo.top()])return false;//相反情况就是匹配，直接栈顶左括号出栈zuo.pop();}}return zuo.empty();}
};
1047. 删除字符串中的所有相邻重复项
题目链接：1047. 删除字符串中的所有相邻重复项
题目内容：
根据给出的例子可以看出，abbaca删除bb后，又会出现aa可以删除，因此还是用栈这个结构来实现：
- 遍历字符串，如果当前字符和栈顶元素不同直接入栈；
- 如果相同，该字符不保存，同时栈顶的相同元素也要删除。
这里注意，可以用string来实现，利用其pop_back()和push_back()这个类似stack操作的成员函数，在string末尾添加、删除元素。代码实现（C++）：
class Solution {
public:string removeDuplicates(string s) {string ans;for(char ch : s){//如果和字符串末尾【即栈顶】元素相同，栈顶元素删除if(!ans.empty() && ans.back() == ch)ans.pop_back();//不相同就直接保存else ans.push_back(ch);}return ans;}
};
