内容简介:这个系列是我多年前找工作时对数据结构和算法总结,其中有基础部分,也有各大公司的经典的面试题,最早发布在CSDN。现整理为一个系列给需要的朋友参考,如有错误,欢迎指正。本系列完整代码地址在栈作为一种基本的数据结构,在很多地方有运用,比如函数递归,前后缀表达式转换等。本文会用C数组来实现栈结构(使用链表实现可以参见链表那一节,使用头插法构建链表即可),并对常见的几个跟栈相关的面试题进行分析,本文代码在我们使用结构体来定义栈,使用柔性数组来存储元素。几个宏定义用于计算栈的元素数目及栈是否为空和满。
这个系列是我多年前找工作时对数据结构和算法总结,其中有基础部分,也有各大公司的经典的面试题,最早发布在CSDN。现整理为一个系列给需要的朋友参考,如有错误,欢迎指正。本系列完整代码地址在 这里 。
0 概述
栈作为一种基本的数据结构,在很多地方有运用,比如函数递归,前后缀表达式转换等。本文会用C数组来实现栈结构(使用链表实现可以参见链表那一节,使用头插法构建链表即可),并对常见的几个跟栈相关的面试题进行分析,本文代码在 这里 。
1 定义
我们使用结构体来定义栈,使用柔性数组来存储元素。几个宏定义用于计算栈的元素数目及栈是否为空和满。
typedef struct Stack { int capacity; int top; int items[]; } Stack; #define SIZE(stack) (stack->top + 1) #define IS_EMPTY(stack) (stack->top == -1) #define IS_FULL(stack) (stack->top == stack->capacity - 1) 复制代码
2 基本操作
栈主要有三种基本操作:
- push:压入一个元素到栈中。
- pop:弹出栈顶元素并返回。
- peek:取栈顶元素,但是不修改栈。
如图所示:
代码如下:
Stack *stackNew(int capacity) { Stack *stack = (Stack *)malloc(sizeof(*stack) + sizeof(int) * capacity); if (!stack) { printf("Stack new failed\n"); exit(E_NOMEM); } stack->capacity = capacity; stack->top = -1; return stack; } void push(Stack *stack, int v) { if (IS_FULL(stack)) { printf("Stack Overflow\n"); exit(E_FULL); } stack->items[++stack->top] = v; } int pop(Stack *stack) { if (IS_EMPTY(stack)) { printf("Stack Empty\n"); exit(E_EMPTY); } return stack->items[stack->top--]; } int peek(Stack *stack) { if (IS_EMPTY(stack)) { printf("Stack Empty\n"); exit(E_EMPTY); } return stack->items[stack->top]; } 复制代码
3 栈相关面试题
3.1 后缀表达式求值
题:已知一个后缀表达式 6 5 2 3 + 8 * + 3 + *
,求该后缀表达式的值。
解:后缀表达式也叫逆波兰表达式,其求值过程可以用到栈来辅助存储。则其求值过程如下:
- 1)遍历表达式,遇到的数字首先放入栈中,此时栈为
[6 5 2 3]
。 - 2)接着读到
+
,则弹出3和2,计算3 + 2
,计算结果等于5
,并将5
压入到栈中,栈为[6 5 5]
。 - 3)读到
8
,将其直接放入栈中,[6 5 5 8]
。 - 4)读到
*
,弹出8
和5
,计算8 * 5
,并将结果40
压入栈中,栈为[6 5 40]
。而后过程类似,读到+
,将40
和5
弹出,将40 + 5
的结果45
压入栈,栈变成[6 45]
,读到3,放入栈[6 45 3]
...以此类推,最后结果为288
。
代码:
int evaluatePostfix(char *exp) { Stack* stack = stackNew(strlen(exp)); int i; if (!stack) { printf("New stack failed\n"); exit(E_NOMEM); } for (i = 0; exp[i]; ++i) { // 如果是数字,直接压栈 if (isdigit(exp[i])) { push(stack, exp[i] - '0'); } else {// 如果遇到符号,则弹出栈顶两个元素计算,并将结果压栈 int val1 = pop(stack); int val2 = pop(stack); switch (exp[i]) { case '+': push(stack, val2 + val1); break; case '-': push(stack, val2 - val1); break; case '*': push(stack, val2 * val1); break; case '/': push(stack, val2/val1); break; } } } return pop(stack); } 复制代码
3.2 栈逆序
题:给定一个栈,请将其逆序。
解1:如果不考虑空间复杂度,完全可以另外弄个辅助栈,将原栈数据全部 pop
出来并 push
到辅助栈即可。
解2:如果在面试中遇到这个题目,那肯定是希望你用更好的方式实现。可以先实现一个在栈底插入元素的函数,然后便可以递归实现栈逆序了,不需要用辅助栈。
* 在栈底插入一个元素 */ void insertAtBottom(Stack *stack, int v) { if (IS_EMPTY(stack)) { push(stack, v); } else { int x = pop(stack); insertAtBottom(stack, v); push(stack, x); } } /** * 栈逆序 */ void stackReverse(Stack *stack) { if (IS_EMPTY(stack)) return; int top = pop(stack); stackReverse(stack); insertAtBottom(stack, top); } 复制代码
3.3 设计包含min函数的栈
题:设计一个栈,使得push、pop以及min(获取栈中最小元素)能够在常数时间内完成。
分析:刚开始很容易想到一个方法,那就是额外建立一个最小二叉堆保存所有元素,这样每次获取最小元素只需要 O(1)
的时间。但是这样的话,为了建最小堆 push
和 pop
操作就需要 O(lgn)
的时间了(假定栈中元素个数为n),不符合题目的要求。
解1:辅助栈方法
那为了实现该功能,可以使用辅助栈使用一个辅助栈来保存最小元素,这个解法简单不失优雅。设该辅助栈名字为 minStack
,其栈顶元素为当前栈中的最小元素。这意味着
- 1)要获取当前栈中最小元素,只需要返回 minStack 的栈顶元素即可。
- 2)每次执行 push 操作时,检查 push 的元素是否小于或等于 minStack 栈顶元素。如果是,则也push 该元素到 minStack 中。
- 3)当执行 pop 操作的时候,检查 pop 的元素是否与当前最小值相等。如果相等,则需要将该元素从minStack 中 pop 出去。
代码:
void minStackPush(Stack *orgStack, Stack *minStack, int v) { if (IS_FULL(orgStack)) { printf("Stack Full\n"); exit(E_FULL); } push(orgStack, v); if (IS_EMPTY(minStack) || v < peek(minStack)) { push(minStack, v); } } int minStackPop(Stack *orgStack, Stack *minStack) { if (IS_EMPTY(orgStack)) { printf("Stack Empty\n"); exit(E_EMPTY); } if (peek(orgStack) == peek(minStack)) { pop(minStack); } return pop(orgStack); } int minStackMin(Stack *minStack) { return peek(minStack); } 复制代码
示例:
假定有元素 3,4,2,5,1
依次入栈 orgStack
,辅助栈 minStack
中元素为 3,2,1
。
解2:差值法
另外一种解法利用存储差值而不需要辅助栈,方法比较巧妙:
- 栈顶多出一个空间用于存储栈最小值。
-
push
时压入的是当前元素与压入该元素前的栈中最小元素(栈顶的元素)的差值,然后通过比较当前元素与当前栈中最小元素大小,并将它们中的较小值作为新的最小值压入栈顶。 -
pop
函数执行的时候,先pop
出栈顶的两个值,这两个值分别是当前栈中最小值min
和最后压入的元素与之前栈中最小值的差值delta
。根据delta < 0
或者delta >= 0
来获得之前压入栈的元素的值和该元素出栈后的新的最小值。 -
min
函数则是取栈顶元素即可。
代码:
void minStackPushUseDelta(Stack *stack, int v) { if (IS_EMPTY(stack)) { // 空栈,直接压入v两次 push(stack, v); push(stack, v); } else { int oldMin = pop(stack); // 栈顶保存的是压入v之前的栈中最小值 int delta = v - oldMin; int newMin = delta < 0 ? v : oldMin; push(stack, delta); // 压入 v 与之前栈中的最小值之差 push(stack, newMin); // 最后压入当前栈中最小值 } } int minStackPopUseDelta(Stack *stack) { int min = pop(stack); int delta = pop(stack); int v, oldMin; if (delta < 0) { // 最后压入的元素比min小,则min就是最后压入的元素 v = min; oldMin = v - delta; } else { // 最后压入的值不是最小值,则min为oldMin。 oldMin = min; v = oldMin + delta; } if (!IS_EMPTY(stack)) { // 如果栈不为空,则压入oldMin push(stack, oldMin); } return v; } int minStackMinUseDelta(Stack *stack) { return peek(stack); } 复制代码
示例:
push(3): [3 3] push(4): [3 1 3] push(2): [3 1 -1 2] push(5): [3 1 -1 3 2] push(1): [3 1 -1 3 -1 1] min(): 1,pop(): 1,[3 1 -1 3 2] min(): 2,pop(): 5,[3 1 -1 2] min(): 2,pop(): 2,[3 1 3] min(): 3,pop(): 4,[3 3] min(): 3,pop(): 3,[ ] 复制代码
3.4 求出栈数目和出栈序列
求出栈数目
题:已知一个入栈序列,试求出所有可能的出栈序列数目。例如入栈序列为 1,2,3
,则可能的出栈序列有5种: 1 2 3,1 3 2 ,2 1 3,2 3 1,3 2 1
。
解:要求解出栈序列的数目,还算比较容易的。已经有很多文章分析过这个问题,最终答案就是卡特兰数,也就是说 n
个元素的出栈序列的总数目等于 C(2n, n) - C(2n, n-1) = C(2n, n) / (n+1)
,如 3 个元素的总的出栈数目就是 C(6, 3) / 4 = 5
。
如果不分析求解的通项公式,是否可以写程序求出出栈的序列数目呢?答案是肯定的,我们根据当前栈状态可以将 出栈一个元素
和 入栈一个元素
两种情况的总的数目相加即可得到总的出栈数目。
/** * 计算出栈数目 * - in:目前栈中的元素数目 * - out:目前已经出栈的元素数目 * - wait:目前还未进栈的元素数目 */ int sumOfStackPopSequence(Stack *stack, int in, int out, int wait) { if (out == stack->capacity) { // 元素全部出栈了,返回1 return 1; } int sum = 0; if (wait > 0) // 进栈一个元素 sum += sumOfStackPopSequence(stack, in + 1, out, wait - 1); if (in > 0) // 出栈一个元素 sum += sumOfStackPopSequence(stack, in - 1, out + 1, wait); return sum; } 复制代码
求所有出栈序列
题:给定一个输入序列 input[] = {1, 2, 3}
,打印所有可能的出栈序列。
解:这个有点难,不只是出栈数目,需要打印所有出栈序列,需要用到回溯法,回溯法比简单的递归要难不少,后面有时间再单独整理一篇回溯法的文章。出栈序列跟入栈出栈的顺序有关,对于每个输入,都会面对两种情况: 是先将原栈中元素出栈还是先入栈 ,这里用到两个栈来实现,其中栈 stk 用于模拟入栈出栈,而栈 output 用于存储出栈的值。 注意退出条件是当遍历完所有输入的元素,此时栈 stk 和 output 中都可能有元素,需要先将栈 output 从栈底开始打印完,然后将栈 stk 从栈顶开始打印即可。 另外一点就是,当我们使用的模拟栈 stk 为空时,则这个分支结束。代码如下:
void printStackPopSequence(int input[], int i, int n, Stack *stk, Stack *output) { if (i >= n) { stackTraverseBottom(output); // output 从栈底开始打印 stackTraverseTop(stk); // stk 从栈顶开始打印 printf("\n"); return; } push(stk, input[i]); printStackPopSequence(input, i+1, n, stk, output); pop(stk); if (IS_EMPTY(stk)) return; int v = pop(stk); push(output, v); printStackPopSequence(input, i, n, stk, output); push(stk, v); pop(output); } 复制代码
参考资料
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持 码农网
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