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数据结构：用两个栈模拟队列（Queue Using 2 Stacks）

news 2025/8/15 13:40:51

第一步：分析本质矛盾——LIFO vs. FIFO

第二步：设计两个栈的角色分工

第三步：推导核心操作的实现逻辑

1. 入队 (Enqueue)

2. 出队 (Dequeue)

性能分析（摊还分析）

第四步：一步步实现代码

这是一个非常经典且有趣的问题。我们同样从第一性原理出发，推导如何只用两个“后进先出”的栈，来模拟一个“先进先出”的队列。

第一步：分析本质矛盾——LIFO vs. FIFO

我们手上有什么工具？

两个栈 (Stack)：

它们的行为是 LIFO (Last-In, First-Out)，像一个死胡同，后进去的必须先出来。

放入顺序 1, 2, 3，取出顺序 3, 2, 1。

我们的目标是什么？

一个队列 (Queue)：它的行为是 FIFO (First-In, First-Out)，像一个通道，先进去的先出来。

放入顺序 1, 2, 3，取出顺序 1, 2, 3。

核心矛盾：栈会颠倒元素的顺序，而队列需要维持元素的顺序。

如何解决这个矛盾？让我们从最基本的思想实验开始。

一个栈会把 1, 2, 3 变成 3, 2, 1。如果我们能把 3, 2, 1 这个序列再颠倒一次，会得到什么？

3, 2, 1 颠倒后就是 1, 2, 3。这正是我们想要的队列顺序！

第一性推论：对一个序列进行两次颠倒，其结果等于维持原序列。

而我们手上有两个栈，一个栈可以实现一次颠倒。那么，用两个栈就能实现两次颠倒。

LIFO( LIFO(序列) ) = FIFO(序列)

这个推论，就是我们整个算法设计的灵魂。

第二步：设计两个栈的角色分工

既然要进行两次颠倒，我们可以给两个栈分配不同的角色：

所有 enqueue 操作都直接进入这个栈。它扮演了第一次颠倒的角色。

inStack (输入栈)：负责接收所有新加入的元素。
outStack (输出栈)：负责所有弹出的元素。

所有 dequeue 操作都从这个栈获取。它必须含有我们期望的、正确顺序的元素。

第三步：推导核心操作的实现逻辑

1. 入队 (Enqueue)

当一个新元素，比如 4，要加入队列时，我们应该怎么做？

为了将来能进行颠倒，我们必须先把它存起来。最直接的地方就是 inStack。

Enqueue 操作逻辑：

将新元素 push 到 inStack 中。

这个操作非常简单，时间复杂度永远是 O(1)。

【操作模拟 1：连续入队】

enqueue(1) -> inStack 中压入 1。 inStack: [1]
enqueue(2) -> inStack 中压入 2。 inStack: [2, 1]
enqueue(3) -> inStack 中压入 3。 inStack: [3, 2, 1] (3在栈顶)

outStack 此时还是空的。

2. 出队 (Dequeue)

这是整个设计的精髓所在。根据 FIFO 原则，我们现在 dequeue，应该得到元素 1。

1 在哪里？它在 inStack 的最底部。我们无法直接拿到它。

但是，根据我们的推论，outStack 应该是负责“出”的栈。所以我们应该尝试从 outStack 中 pop 元素。

情况一：outStack 不为空。

如果 outStack 里已经有按正确顺序排列的元素，那么我们直接从 outStack 中 pop 一个出来就行了。这是最理想的情况。

情况二：outStack 为空。

如果 outStack 是空的，我们不能直接返回“队列为空”，因为 inStack 里可能还有很多元素。

这个时候，就到了执行第二次颠倒的时刻了！我们需要把 inStack 中的所有元素，全部“倒入” outStack。

“倾倒”过程：

从 inStack 弹出一个元素 (例如 3)。
将这个弹出的元素压入 outStack。
重复此过程，直到 inStack 为空。

【操作模拟 2：第一次出队】

当前状态: inStack: [3, 2, 1], outStack: [] 我们需要 dequeue()。

检查 outStack，发现是空的。
执行“倾倒”操作：
- pop 3 from inStack, push 3 to outStack. inStack: [2, 1], outStack: [3]
- pop 2 from inStack, push 2 to outStack. inStack: [1], outStack: [2, 3]
- pop 1 from inStack, push 1 to outStack. inStack: [], outStack: [1, 2, 3] (1在栈顶)
倾倒完成。outStack 里的元素顺序已经是 1, 2, 3 (从顶到底)，完全符合队列的顺序。
现在可以从 outStack 中 pop 了。pop 出 1。返回 1。

Dequeue 操作逻辑总结：

检查 outStack 是否为空。
如果不为空，直接从 outStack 中 pop 并返回。
如果为空，则先将 inStack 的所有元素依次 pop 并 push 到 outStack 中。
然后再从 outStack 中 pop 并返回。
如果两个栈都为空，则说明整个队列为空。

性能分析（摊还分析）

enqueue 永远是 O(1)。 dequeue 有时是 O(1)，有时是 O(N)（在需要“倾倒”时）。

但从长远来看，每个元素一生中最多只会：

被 push 进 inStack 一次。
被 pop 出 inStack 一次。
被 push 进 outStack 一次。
被 pop 出 outStack 一次。

对于 N 个元素，总的操作次数是 4N。

平均到每个元素的入队和出队操作上，其摊还时间复杂度 (Amortized Time Complexity) 是 O(1)。这是一个非常高效的设计。

第四步：一步步实现代码

首先，我们需要一个可用的栈。这里我们快速给出一个基础实现。

【代码实现 1：基础栈的实现】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define STACK_CAPACITY 100typedef struct {int data[STACK_CAPACITY];int top; // 指向栈顶元素的下标
} Stack;Stack* createStack() {Stack* s = (Stack*)malloc(sizeof(Stack));s->top = -1; // -1 表示栈空return s;
}int isStackEmpty(Stack* s) {return s->top == -1;
}void push(Stack* s, int value) {if (s->top >= STACK_CAPACITY - 1) return; // 栈满s->data[++s->top] = value;
}int pop(Stack* s) {if (isStackEmpty(s)) return -1; // 错误值return s->data[s->top--];
}

现在，我们用这个栈来构建我们的队列。

【代码实现 2：队列结构体与创建】

// 队列的蓝图：由两个栈构成
typedef struct {Stack* inStack;Stack* outStack;
} QueueWithStacks;// 创建队列
QueueWithStacks* createQueue() {QueueWithStacks* q = (QueueWithStacks*)malloc(sizeof(QueueWithStacks));q->inStack = createStack();q->outStack = createStack();return q;
}

【代码实现 3：入队操作】

// 入队操作
void enqueue(QueueWithStacks* q, int value) {// 逻辑非常简单：直接压入 inStackpush(q->inStack, value);
}

【代码实现 4：出队操作与“倾倒”辅助函数】

// “倾倒”操作，这是一个内部辅助函数
void pourInToOut(QueueWithStacks* q) {// 仅在 outStack 为空时调用if (!isStackEmpty(q->outStack)) return;while (!isStackEmpty(q->inStack)) {push(q->outStack, pop(q->inStack));}
}// 出队操作
int dequeue(QueueWithStacks* q) {// 如果两个栈都为空，队列才是真的空if (isStackEmpty(q->inStack) && isStackEmpty(q->outStack)) {printf("出队失败：队列为空。\n");return -1; // 错误值}// 检查 outStack，如果为空，则执行倾倒pourInToOut(q);// 现在可以安全地从 outStack 弹出return pop(q->outStack);
}// 检查队列是否为空
int isQueueEmpty(QueueWithStacks* q) {return isStackEmpty(q->inStack) && isStackEmpty(q->outStack);
}

通过这个从“矛盾”到“原理”再到“实现”的推导过程，我们就用两个 LIFO 的栈，成功构建了一个功能正确且性能高效的 FIFO 队列。这个方案的巧妙之处在于，它不是在每次操作时都去维护队列的顺序，而是在必要时（当 outStack 为空时）才进行一次性的“批量”顺序调整，从而实现了整体的高效率。

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http://www.lryc.cn/news/621237.html