Java面試題：棧和佇列的實現

面試的時候，棧和佇列經常會成對出現來考察。本文包含棧和佇列的如下考試內容：

（1）棧的建立

（2）佇列的建立

（3）兩個棧實現一個佇列

（4）兩個佇列實現一個棧

（5）設計含最小函式min()的棧，要求min、push、pop、的時間複雜度都是O(1)

（6）判斷棧的push和pop序列是否一致

1、棧的建立：

我們接下來通過連結串列的形式來建立棧，方便擴充。

程式碼實現：

public class Stack {

    public Node head;
    public Node current;

    //方法：入棧操作
    public void push(int data) {
        if (head == null) {
            head = new Node(data);
            current = head;
        } else {
            Node node = new Node(data);
            node.pre = current;//current結點將作為當前結點的前驅結點
            current = node;  //讓current結點永遠指向新新增的那個結點
        }
    }

    public Node pop() {
        if (current == null) {
            return null;
        }

        Node node = current; // current結點是我們要出棧的結點
        current = current.pre;  //每出棧一個結點後，current後退一位
        return node;

    }

    class Node {
        int data;
        Node pre;  //我們需要知道當前結點的前一個結點

        public Node(int data) {
            this.data = data;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        Stack stack = new Stack();
        stack.push(1);
        stack.push(2);
        stack.push(3);

        System.out.println(stack.pop().data);
        System.out.println(stack.pop().data);
        System.out.println(stack.pop().data);
    }

}

入棧操作時，14、15行程式碼是關鍵。

執行效果：

2、佇列的建立：

佇列的建立有兩種形式：基於陣列結構實現（順序佇列）、基於連結串列結構實現（鏈式佇列）。

我們接下來通過連結串列的形式來建立佇列，這樣的話，佇列在擴充時會比較方便。佇列在出隊時，從頭結點head開始。

程式碼實現：

入棧時，和在普通的連結串列中新增結點的操作是一樣的；出隊時，出的永遠都是head結點。

public class Queue {
    public Node head;
    public Node curent;

    //方法：連結串列中新增結點
    public void add(int data) {
        if (head == null) {
            head = new Node(data);
            curent = head;
        } else {
            curent.next = new Node(data);
            curent = curent.next;
        }
    }

    //方法：出隊操作
    public int pop() throws Exception {
        if (head == null) {
            throw new Exception("佇列為空");
        }

        Node node = head;  //node結點就是我們要出隊的結點
        head = head.next; //出隊之後，head指標向下移

        return node.data;

    }

    class Node {
        int data;
        Node next;

        public Node(int data) {
            this.data = data;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Queue queue = new Queue();
        //入隊操作
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            queue.add(i);
        }

        //出隊操作
        System.out.println(queue.pop());
        System.out.println(queue.pop());
        System.out.println(queue.pop());

    }
}

執行效果：

3、兩個棧實現一個佇列：

思路：

棧1用於儲存元素，棧2用於彈出元素，負負得正。

說的通俗一點，現在把資料1、2、3分別入棧一，然後從棧一中出來（3、2、1），放到棧二中，那麼，從棧二中出來的資料（1、2、3）就符合佇列的規律了，即負負得正。

完整版程式碼實現：

import java.util.Stack;

/**
 * Created by smyhvae on 2015/9/9.
 */
public class Queue {

    private Stack<Integer> stack1 = new Stack<>();//執行入隊操作的棧
    private Stack<Integer> stack2 = new Stack<>();//執行出隊操作的棧

    //方法：給佇列增加一個入隊的操作
    public void push(int data) {
        stack1.push(data);

    }

    //方法：給佇列正價一個出隊的操作
    public int pop() throws Exception {

        if (stack2.empty()) {//stack1中的資料放到stack2之前，先要保證stack2裡面是空的（要麼一開始就是空的，要麼是stack2中的資料出完了），不然出隊的順序會亂的，這一點很容易忘

            while (!stack1.empty()) {
                stack2.push(stack1.pop());//把stack1中的資料出棧，放到stack2中【核心程式碼】
            }

        }

        if (stack2.empty()) { //stack2為空時，有兩種可能：1、一開始，兩個棧的資料都是空的；2、stack2中的資料出完了
            throw new Exception("佇列為空");
        }

        return stack2.pop();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Queue queue = new Queue();
        queue.push(1);
        queue.push(2);
        queue.push(3);

        System.out.println(queue.pop());

        queue.push(4);

        System.out.println(queue.pop());
        System.out.println(queue.pop());
        System.out.println(queue.pop());

    }

}

注意第22行和第30行程式碼的順序，以及註釋，需要仔細理解其含義。

執行效果：

4、兩個佇列實現一個棧：

思路：

將1、2、3依次入佇列一， 然後最上面的3留在佇列一，將下面的2、3入佇列二，將3出佇列一，此時佇列一空了，然後把佇列二中的所有資料入佇列一；將最上面的2留在佇列一，將下面的3入佇列二。。。依次迴圈。

程式碼實現：

import java.util.ArrayDeque;
import java.util.Queue;

/**
 * Created by smyhvae on 2015/9/9.
 */
public class Stack {

    Queue<Integer> queue1 = new ArrayDeque<Integer>();
    Queue<Integer> queue2 = new ArrayDeque<Integer>();

    //方法：入棧操作
    public void push(int data) {
        queue1.add(data);
    }

    //方法：出棧操作
    public int pop() throws Exception {
        int data;
        if (queue1.size() == 0) {
            throw new Exception("棧為空");
        }

        while (queue1.size() != 0) {
            if (queue1.size() == 1) {
                data = queue1.poll();
                while (queue2.size() != 0) {  //把queue2中的全部資料放到佇列一中
                    queue1.add(queue2.poll());
                    return data;
                }
            }
            queue2.add(queue1.poll());
        }
        throw new Exception("棧為空");//不知道這一行的程式碼是什麼意思
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Stack stack = new Stack();

        stack.push(1);
        stack.push(2);
        stack.push(3);

        System.out.println(stack.pop());
        System.out.println(stack.pop());
        stack.push(4);
    }
}

執行效果：

5、設計含最小函式min()的棧，要求min、push、pop、的時間複雜度都是O(1)。min方法的作用是：就能返回是棧中的最小值。【微信面試題】

普通思路：

一般情況下，我們可能會這麼想：利用min變數，每次新增元素時，都和min元素作比較，這樣的話，就能保證min存放的是最小值。但是這樣的話，會存在一個問題：如果最小的元素出棧了，那怎麼知道剩下的元素中哪個是最小的元素呢？

改進思路：

這裡需要加一個輔助棧，用空間換取時間。輔助棧中，棧頂永遠儲存著當前棧中最小的數值。具體是這樣的：原棧中，每次新增一個新元素時，就和輔助棧的棧頂元素相比較，如果新元素小，就把新元素的值放到輔助棧中，如果新元素大，就把輔助棧的棧頂元素再copy一遍放到輔助棧的棧頂；原棧中，出棧時，

完整程式碼實現：

import java.util.Stack;

/**
 * Created by smyhvae on 2015/9/9.
 */
public class MinStack {

    private Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();
    private Stack<Integer> minStack = new Stack<Integer>(); //輔助棧：棧頂永遠儲存stack中當前的最小的元素

    public void push(int data) {
        stack.push(data);  //直接往棧中新增資料

        //在輔助棧中需要做判斷
        if (minStack.size() == 0 || data < minStack.peek()) {
            minStack.push(data);
        } else {
            minStack.add(minStack.peek());   //【核心程式碼】peek方法返回的是棧頂的元素
        }
    }

    public int pop() throws Exception {
        if (stack.size() == 0) {
            throw new Exception("棧中為空");
        }

        int data = stack.pop();
        minStack.pop();  //核心程式碼
        return data;
    }

    public int min() throws Exception {
        if (minStack.size() == 0) {
            throw new Exception("棧中空了");
        }
        return minStack.peek();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MinStack stack = new MinStack();
        stack.push(4);
        stack.push(3);
        stack.push(5);

        System.out.println(stack.min());
    }
}

6、判斷棧的push和pop序列是否一致：

通俗一點講：已知一組資料1、2、3、4、5依次進棧，那麼它的出棧方式有很多種，請判斷一下給出的出棧方式是否是正確的？

例如：

資料：

1、2、3、4、5

出棧1：

5、4、3、2、1（正確）

出棧2：

4、5、3、2、1（正確）

出棧3：

4、3、5、1、2（錯誤）

完整版程式碼：

import java.util.Stack;

/**
 * Created by smyhvae on 2015/9/9.
 */
public class StackTest {

    //方法：data1陣列的順序表示入棧的順序。現在判斷data2的這種出棧順序是否正確
    public static boolean sequenseIsPop(int[] data1, int[] data2) {
        Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>(); //這裡需要用到輔助棧

        for (int i = 0, j = 0; i < data1.length; i++) {
            stack.push(data1[i]);

            while (stack.size() > 0 && stack.peek() == data2[j]) {
                stack.pop();
                j++;
            }
        }
        return stack.size() == 0;
    }

    public static void main(String[] args) {

        Stack<Integer> stack = new Stack<Integer>();

        int[] data1 = {1, 2, 3, 4, 5};
        int[] data2 = {4, 5, 3, 2, 1};
        int[] data3 = {4, 5, 2, 3, 1};

        System.out.println(sequenseIsPop(data1, data2));
        System.out.println(sequenseIsPop(data1, data3));
    }
}

程式碼比較簡潔，但也比較難理解，要仔細體會。

執行效果：