包含min函数的栈和两个栈实现一个队列

题目：定义栈的数据结构，要求添加一个min函数，能够得到栈的最小元素。要求函数min、push以及pop的时间复杂度都是O(1)。

分析：这是google的一道面试题。

看到这道题目时，第一反应就是每次push一个新元素时，将栈里所有逆序元素排序。这样栈顶元素将是最小元素。但由于不能保证最后push进栈的元素最先出栈，这种思路设计的数据结构已经不是一个栈了。在栈里添加一个成员变量存放最小元素（或最小元素的位置）。每次push一个新元素进栈的时候，如果该元素比当前的最小元素还要小，则更新最小元素。

乍一看这样思路挺好的。但仔细一想，该思路存在一个重要的问题：如果当前最小元素被pop出去，如何才能得到下一个最小元素？因此仅仅只添加一个成员变量存放最小元素（或最小元素的位置）是不够的。我们需要一个辅助栈。每次push一个新元素的时候，同时将最小元素push到辅助栈中（考虑到元素可能是复杂的数据类型，用位置将能减少空间消耗）；每次pop一个元素出栈的时候，同时pop辅助栈。

参考代码：

#include <deque>
#include <assert.h>

template <typename T> 
class CStackWithMin
{
public:
      CStackWithMin(void) {}
      virtual ~CStackWithMin(void) {}

      T& top(void);
      const T& top(void) const;

      void push(const T& value);
      void pop(void);

      const T& min(void) const;

private:
     deque<T> m_data;               // the elements of stack
     deque<size_t> m_minIndex;      // the indices of minimum elements
};

// get the last element of mutable stack
template <typename T> T& CStackWithMin<T>::top()
{
      return m_data.back();
}

// get the last element of non-mutable stack
template <typename T> const T& CStackWithMin<T>::top() const
{
      return m_data.back();
}

// insert an elment at the end of stack
template <typename T> void CStackWithMin<T>::push(const T& value)
{
      // append the data into the end of m_data
      m_data.push_back(value);

      // set the index of minimum elment in m_data at the end of m_minIndex
      if(m_minIndex.size() == 0)
            m_minIndex.push_back(0);
      else
      {
            if(value < m_data[m_minIndex.back()])
                  m_minIndex.push_back(m_data.size() - 1);
            else
                  m_minIndex.push_back(m_minIndex.back());
      }
}

// erease the element at the end of stack
template <typename T> void CStackWithMin<T>::pop()
{
      // pop m_data
      m_data.pop_back();

      // pop m_minIndex
      m_minIndex.pop_back();
}

// get the minimum element of stack
template <typename T> const T& CStackWithMin<T>::min() const
{
      assert(m_data.size() > 0);
      assert(m_minIndex.size() > 0);

      return m_data[m_minIndex.back()];
}

  步骤     数据栈      辅助栈        最小值
1.push 3    3          0             3
2.push 4    3,4        0,0           3
3.push 2    3,4,2      0,0,2         2
4.push 1    3,4,2,1    0,0,2,3       1
5.pop        3,4,2      0,0,2         2
6.pop        3,4        0,0           3
7.push 0   3,4,0      0,0,2         0

 

另一道题目：用两个栈实现一个队列的功能。

要求给出算法和思路！

答：设2个栈为A,B, 一开始均为空.

入队:

若A有空间，将新元素push入栈A;

若A满则判断B是否有元素，有则无法进队列；若无则将栈A中所有元素依次pop出并push到栈B，将新元素push进A

出队:

(1)判断栈B是否为空；

(2)如果不空，则B的栈顶元素出栈；如果为空，则将栈A中所有元素依次pop出并push到栈B；

(3)将栈B的栈顶元素pop出；

两个栈都是空时队列为空

这样实现的队列入队和出队的平摊复杂度都还是O(1)。

template<typename T> 
class CQueue
{
public:
    CQueue() {}
    ~CQueue() {}

    void appendTail(const T& node);  // append a element to tail
    T deleteHead();   // remove the front element from head and return it
    bool isEmpty();

private:
    stack<T> m_stack1;
    stack<T> m_stack2;
};

//true if the queue has no elements
template<typename T>
bool CQueue<T>::isEmpty()
{
    return m_stack1.empty() && m_stack2.empty();
}

// Append a element at the tail of the queue
template<typename T> 
void CQueue<T>::appendTail(const T & element)
{
    // push the new element into m_stack1
    m_stack1.push(element);
} 

// Delete the head from the queue and return it
template<typename T> 
T CQueue<T>::deleteHead()
{
    // if m_stack2 is empty, and there are some
    // elements in m_stack1, push them in m_stack2
    if(m_stack2.size() <= 0)
    {
        while(m_stack1.size() > 0)
        {
            const T & data = m_stack1.top();
            m_stack1.pop();
            m_stack2.push(data);
        }
    }

    // push the element into m_stack2
    assert(m_stack2.size() > 0);
    T data = m_stack2.top();
    m_stack2.pop();
    return data;
}