Điểm thực hiện một Stack sử dụng hai hàng đợi là gì?

Tôi có câu hỏi bài tập về nhà sau đây:

Thực hiện các phương thức ngăn xếp đẩy (x) và pop () bằng hai hàng đợi.

Điều này có vẻ kỳ lạ với tôi bởi vì:

• Một ngăn xếp là một hàng đợi (LIFO)
• Tôi không thấy lý do tại sao bạn cần hai hàng đợi để thực hiện nó

Tôi tìm kiếm xung quanh:

• GeekForGeek
• StackOverflow

và tìm thấy một vài giải pháp. Đây là những gì tôi đã kết thúc với:

public class Stack<T> {
    LinkedList<T> q1 = new LinkedList<T>();
    LinkedList<T> q2 = new LinkedList<T>();

    public void push(T t) {
        q1.addFirst(t);
    }

    public T pop() {
        if (q1.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't pop from an empty stack!");
        }

        while(q1.size() > 1) {
            q2.addFirst( q1.removeLast() );
        }

        T popped = q1.pop();

        LinkedList<T> tempQ = q1;
        q1 = q2;
        q2 = tempQ;

        return popped;
    }
}

Nhưng tôi không hiểu lợi thế của việc sử dụng một hàng đợi là gì; hai phiên bản xếp hàng dường như vô cùng phức tạp.

Giả sử chúng tôi chọn các lần đẩy để hiệu quả hơn trong số 2 (như tôi đã làm ở trên), pushsẽ vẫn như cũ và popchỉ cần yêu cầu lặp lại thành phần cuối cùng và trả lại nó. Trong cả hai trường hợp, pushsẽ là O(1), và popsẽ là O(n); nhưng phiên bản xếp hàng đơn sẽ đơn giản hơn nhiều. Nó chỉ nên yêu cầu một vòng lặp duy nhất.

Tui bỏ lỡ điều gì vậy? Bất kỳ cái nhìn sâu sắc ở đây sẽ được đánh giá cao.

Không có lợi thế: đây là một bài tập hoàn toàn học tập.

Một rất lâu rồi khi tôi còn là một sinh viên năm nhất ở trường đại học tôi đã có một bài tập tương tự ¹ . Mục tiêu là dạy cho sinh viên cách sử dụng lập trình hướng đối tượng để thực hiện các thuật toán thay vì viết các giải pháp lặp bằng forcác vòng lặp với các bộ đếm vòng lặp. Thay vào đó, kết hợp và tái sử dụng các cấu trúc dữ liệu hiện có để đạt được mục tiêu của bạn.

Bạn sẽ không bao giờ sử dụng mã này trong Real World ^TM . Những gì bạn cần lấy từ bài tập này là làm thế nào để "nghĩ bên ngoài hộp" và sử dụng lại mã.

Xin lưu ý rằng bạn nên sử dụng giao diện java.util.Queue trong mã của mình thay vì sử dụng trực tiếp triển khai:

Queue<T> q1 = new LinkedList<T>();
Queue<T> q2 = new LinkedList<T>();

Điều này cho phép bạn sử dụng các Queuetriển khai khác nếu muốn, cũng như ẩn ² phương thức LinkedListcó thể xoay quanh tinh thần của Queuegiao diện. Điều này bao gồm get(int)và pop()(trong khi mã của bạn biên dịch, có một lỗi logic trong đó đưa ra các ràng buộc của bài tập của bạn. Khai báo các biến của bạn Queuethay vì LinkedListsẽ tiết lộ nó). Đọc liên quan: Tìm hiểu về lập trình trên một giao diện và một giao diện hữu ích?

^{1 _{Tôi vẫn còn nhớ: bài tập là đảo ngược Stack chỉ bằng các phương thức trên giao diện Stack và không có phương thức tiện ích nào trong java.util.Collectionshoặc các lớp tiện ích "chỉ tĩnh" khác. Giải pháp đúng liên quan đến việc sử dụng các cấu trúc dữ liệu khác làm đối tượng lưu giữ tạm thời: bạn phải biết các cấu trúc dữ liệu khác nhau, thuộc tính của chúng và cách kết hợp chúng để làm điều đó. Làm vấp ngã hầu hết lớp CS101 của tôi, người chưa bao giờ lập trình trước đó.}}

^{2 _{Các phương thức vẫn còn đó, nhưng bạn không thể truy cập chúng mà không có kiểu phôi hoặc phản xạ. Vì vậy, không dễ để sử dụng các phương pháp không xếp hàng.}}

Không có lợi thế. Bạn đã nhận ra một cách chính xác rằng việc sử dụng Hàng đợi để thực hiện Stack dẫn đến sự phức tạp thời gian khủng khiếp. Không có lập trình viên (có thẩm quyền) nào từng làm điều gì đó như thế này trong đời thực.

Nhưng nó có thể. Bạn có thể sử dụng một cách trừu tượng để thực hiện cái khác và ngược lại. Một ngăn xếp có thể được triển khai theo hai hàng đợi và tương tự như vậy, bạn có thể triển khai một hàng đợi theo hai ngăn xếp. Ưu điểm của bài tập này là:

• bạn tóm tắt lại ngăn xếp
• bạn tóm tắt hàng đợi
• bạn đã quen với tư duy thuật toán
• bạn học các thuật toán liên quan đến ngăn xếp
• bạn có thể nghĩ về sự đánh đổi trong các thuật toán
• bằng cách nhận ra sự tương đương của Hàng đợi và Ngăn xếp, bạn kết nối các chủ đề khác nhau của khóa học của mình
• bạn có được kinh nghiệm lập trình thực tế

Trên thực tế, đây là một bài tập tuyệt vời. Tôi nên tự làm điều đó ngay bây giờ :)

Chắc chắn có một mục đích thực sự để thực hiện một hàng đợi trong hai ngăn xếp. Nếu bạn sử dụng các cấu trúc dữ liệu bất biến từ một ngôn ngữ chức năng, bạn có thể đẩy vào một chồng các mặt hàng có thể đẩy và kéo từ danh sách các mặt hàng có thể mở được. Các mục poppable được tạo khi tất cả các mục đã được bật ra và ngăn xếp poppable mới là đảo ngược của ngăn xếp có thể đẩy, trong đó ngăn xếp có thể đẩy mới hiện đang trống. Đó là hiệu quả.

Đối với một ngăn xếp làm bằng hai hàng đợi? Điều đó có thể có ý nghĩa trong bối cảnh bạn có sẵn một loạt các hàng đợi lớn và nhanh. Nó chắc chắn vô dụng vì loại bài tập Java này. Nhưng nó có thể có ý nghĩa nếu đó là các kênh hoặc hàng đợi nhắn tin. (ví dụ: N tin nhắn được liệt kê, với thao tác O (1) để di chuyển (N-1) các mục ở phía trước vào hàng đợi mới.)

Các bài tập là không cần thiết từ một quan điểm thực tế. Vấn đề là buộc bạn sử dụng giao diện của hàng đợi một cách thông minh để thực hiện ngăn xếp. Ví dụ: giải pháp "Một hàng đợi" của bạn yêu cầu bạn lặp lại hàng đợi để nhận giá trị đầu vào cuối cùng cho thao tác "pop" ngăn xếp. Tuy nhiên, cấu trúc dữ liệu hàng đợi không cho phép lặp lại các giá trị, bạn bị hạn chế truy cập chúng trong lần nhập trước, xuất trước (FIFO).

Như những người khác đã lưu ý: không có lợi thế trong thế giới thực.

Dù sao, một câu trả lời cho phần thứ hai của câu hỏi của bạn, tại sao không chỉ đơn giản là sử dụng một hàng đợi, nằm ngoài Java.

Trong Java, ngay cả Queuegiao diện cũng có một size()phương thức và tất cả các cài đặt chuẩn của phương thức đó là O (1).

Điều đó không nhất thiết đúng với danh sách liên kết ngây thơ / chính tắc như một lập trình viên C / C ++ sẽ thực hiện, nó sẽ chỉ giữ các con trỏ đến phần tử đầu tiên và cuối cùng và mỗi phần tử một con trỏ đến phần tử tiếp theo.

Trong trường hợp đó size()là O (n) và nên tránh trong các vòng lặp. Hoặc việc thực hiện là mờ đục và chỉ cung cấp tối thiểu trần add()và remove().

Với cách triển khai như vậy, trước tiên bạn phải đếm số lượng phần tử bằng cách chuyển chúng vào hàng đợi thứ hai, chuyển n-1các phần tử trở lại hàng đợi đầu tiên và trả về phần tử còn lại.

Điều đó nói rằng, nó có thể sẽ không tạo ra một cái gì đó như thế này nếu bạn sống ở vùng đất Java.

Thật khó để tưởng tượng việc sử dụng để thực hiện như vậy, đó là sự thật. Nhưng hầu hết các điểm là để chứng minh rằng nó có thể được thực hiện .

Tuy nhiên, về mặt sử dụng thực tế cho những thứ này, tôi có thể nghĩ đến hai. Một cách sử dụng cho việc này là triển khai các hệ thống trong các môi trường bị hạn chế không được thiết kế cho nó : ví dụ, các khối đá đỏ của Minecraft hóa ra là một hệ thống hoàn chỉnh Turing, mà mọi người đã sử dụng để thực hiện các mạch logic và thậm chí toàn bộ CPU. Trong những ngày đầu tiên chơi game dựa trên kịch bản, nhiều bot trò chơi đầu tiên cũng được thực hiện theo cách này.

Nhưng bạn cũng có thể áp dụng nguyên tắc này ngược lại, đảm bảo rằng một cái gì đó không thể có trong một hệ thống khi bạn không muốn nó . Điều này có thể xuất hiện trong bối cảnh bảo mật: ví dụ: hệ thống cấu hình mạnh có thể là một tài sản, nhưng vẫn có những mức độ mà bạn có thể không cung cấp cho người dùng. Điều này hạn chế những gì bạn có thể cho phép ngôn ngữ cấu hình thực hiện, kẻo bị kẻ tấn công lật đổ, nhưng trong trường hợp này, đó là điều bạn muốn.