算法(第四版)C# 习题题解——1.3.49 用 6 个栈实现一个 O(1) 队列

因为这个解法有点复杂,因此单独开一贴介绍。

那么这里就使用六个栈来解决这个问题。

这个算法来自于这篇论文

原文里用的是 Pure Lisp,不过语法很简单,还是很容易看懂的。

先导知识——用两个栈模拟一个队列

如何使用两个栈来模拟一个队列操作?

这是一道很经典的题目,答案也有很多种,这里只介绍之后会用到的一种方法。

首先我们有两个栈,H 和 T,分别用作出队和入队用。

 幻灯片1

这样,入队操作等同于向 T 添加元素,T 的入栈操作只需要 O(1) 时间。

幻灯片2

如果 H 不为空,出队操作等同于 H 弹栈,H 的弹栈操作也只需要 O(1) 时间。

幻灯片4

但如果 H 为空,则需要将 T 中的元素依次弹出并压入到 H 中,这是一个 O(n) 的操作。

幻灯片3

显然,这种方式中,出队操作的最坏时间复杂度是 O(n),并不满足题目要求。

分摊 O(n)

那么,怎么解决这个问题呢?

一个很自然的想法是,如果在栈 H 变为空之前,我们就能逐步将栈 T 的内容弹出并压入到另一个栈 H' 中,等到栈 H 为空时,直接交换 H 和 H' 即可。

假设目前的队列状态是这样,有三个元素等待出队,还有三个元素等待入队。

幻灯片5

现在依次让三个元素出队,与此同时我们让栈 T 中的元素依次进入 H' 中。

每一次出队都执行两个操作,元素出队和元素复制(Pop & Push),时间复杂度 O(1) + O(1) + O(1) = O(1)。

第一次操作(出队)

幻灯片6

第二次操作(出队)

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第三次操作(出队)

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现在栈 H 和栈 T 都为空,下一次出队操作时,我们直接交换栈 H 和栈 H'(由于是交换引用,因此时间复杂度仍为 O(1))。

幻灯片9

之后再进行出队操作。

这就是这个算法基本想法,在栈 H 变为空之前,分步将栈 T 中的内容分步复制到另一个栈中。

当栈 H 为空时直接用准备好的栈 H' 替代 H,保证时间复杂度为常数。

对复制时 Enqueue 的支持和 T' 的引入

刚才是一种理想情况,显然我们的队列在复制时不可能只发生出队操作,为了增加对入队操作的支持,我们引入临时栈 T'。

例如我们有队列状态如下,现在启动复制进程,入队操作全部由 T' 完成。

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我们进行一次入队操作和两次出队操作,如下组图所示:

第一次操作(入队)

幻灯片11

第二次操作(出队)

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第三次操作(出队)

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现在 H 和 T 均为空,下一次操作时(不论入队还是出队),我们先交换 H 和 H' 以及 T 和 T',同时让入队操作控制权回到 T。

0916fix

这样,我们增加了对复制时入队操作的支持,但还并不完全,只有在理想情况下才可以做到。

h 与 HR ,对复制时出入队序列支持的扩展

在之前的例子中,当复制结束时 H 总是为空的,现在我们来讨论一下复制结束时 H 不为空的情况。

如果复制结束时 H 不为空,直接交换的结果是我们丢失了原来栈 H 中的数据。

因此,在翻转 T 的同时,我们还应翻转 H 到 HR,并在最后将 HR 的内容再度翻转并添加到 H' 上。

这个过程可以以下图方式进行:

初始状态:

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第一次操作(入队),H->HR ,T->H',时间复杂度 O(1) + O(1) + O(1) + O(1) + O(1) = O(1)。

幻灯片16

第二次操作(入队)

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第三次操作(入队)

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第四次操作(入队)

幻灯片19

第五次操作(入队)

幻灯片20

第六次操作(出/入队执行前)

演示文稿1

这样我们就解决了 H 复制结束后不为空的问题,代价是引入了两个额外的问题:

  1. 操作次数增加到了 2k 次,k 代表栈 T 中的元素数量。(如果当 T 中元素数量大于 H 中元素数量时开始复制)
  2. 由于 H 被用于复制进程,我们无法在复制过程中支持出队操作。

第一个问题解决方案比较简单,我们可以在每一次出/入队操作执行时进行两次的复制步骤(对 T 和 H 进行两次的 Pop 操作),时间复杂度仍为 O(1)。

第二个问题我们通过引入栈 h 来解决。

h 用于在复制时代替 H 执行出队功能,它会在复制开始时自动变为栈 H 的一个浅拷贝(也就是说,h 和 H 共用同一片内存空间,但它们用于指示栈顶位置的指针相互独立)。

现在我们有了全部 6 个栈,它们的功能如下图所示(为了方便介绍我将一些栈的位置做了调换)。

幻灯片22

由于我们并不能预知接下来会发生的操作,因此当 H 栈中的元素数量第一次小于 T 栈中的元素数量时,我们就必须启动复制进程了(总是假设接下来全部都是出队操作)。我们引入一个布尔类型变量 IsCopying 来指示复制进程。

幻灯片23

现在我们进行第一次入队操作,IsCopying = true,开始复制。

首先 h 变为 H 的浅拷贝,这个过程是 O(1) 的。

幻灯片24

如果在复制过程中有出队操作,作为 H 的翻转 HR 中就有一个元素不再需要复制,我们引入一个变量 needcopy 来记录 HR 中需要复制的元素数量。

幻灯片25

接下来是两次复制操作,T 和 H 分别有两个元素进入了 H' 和 HR

幻灯片26

然后是第二次出/入队操作,这次我们选择出队,1 出队后显然 HR 中的 1 不再需要复制,needcopy – 1。

幻灯片27

随后再是两次复制操作,第一次将 H 中的 3 移到 HR 中,needcopy + 1,T 中的 5 移到 H' 中;第二次只将 T 中的 4 移到 H' 中。

幻灯片28

第三次出/入队操作我们选择入队,8 入队。随后 HR 中的两个元素进入了 H',needcopy – 2。

幻灯片29

由于 needcopy 变成了 0,我们再额外进行一次交换操作,并将 IsCopying 置为 false。

幻灯片30

至此,完整的算法运行完毕。

有关复制开始时机的证明

这里我们选择了在第 k + 1 个元素入队时开始复制,现在证明一定能够在 h 空之前完成复制:

假设复制开始时 H 有 k 个元素,T 有 k + 1个元素。

完成第一轮复制(H->HR , T->H')需要 k + 1 次操作,

完成第二轮复制(H->H')需要 k 次操作,总共需要 2k + 1 次操作才能完成复制。

而 h 的长度为 k,能够提供 2k 次的操作机会。第 k + 1 个元素入队时也能提供 2 次操作机会,因此一共是 2k + 2 次操作机会。

由于 2k + 1 < 2k + 2,我们证明了该算法能够及时完成复制工作。

程序设计

根据之前的内容,我们可以开始设计程序了。主要实现三个功能,Enqueue(), Dequeue() 和 Peek()。

根据算法要求我们添加一个进行复制时操作的函数 OneStep(),用于执行元素的复制,栈交换等操作。

Peek() 只需要根据是否在进行复制选择栈 h 或栈 H 进行 Peek()。

Enqueue()

  1. 如果不处于复制状态
    1. 如果 H.Length – T.Length > 0,直接将元素压入栈 T。
    2. 否则令 IsCopying = true,h 进行浅拷贝,进行两次的 OneStep。
  2. 如果处于复制状态,将元素压入 T',进行两次的 OneStep。

Dequeue()

  1. 如果不处于复制状态
    1. 如果 H.Length – T.Length > 0,直接从 H 弹出元素。
    2. 否则从 H 弹出元素,IsCopying = true,h 进行浅拷贝,进行两次的 OneStep。
  2. 如果处于复制状态,从 h 弹出元素,needcopy - 1,进行两次的 OneStep。

OneStep()

  1. 如果不处于复制状态,什么也不做。
  2. 如果处于复制状态。
    1. 如果 H 和 T 都不为空,从 H 搬运一个元素至 HR ,从 T 搬运一个元素至 H' ,needcopy + 1。
    2. 如果 H 为空但 T 不为空,从 T 搬运一个元素至 H' 。
    3. 如果 H 和 T 都为空,但 needcopy > 1,从 HR 搬运一个元素至 H' ,needcopy – 1。
    4. 如果 H 和 T 都为空,但 needcopy = 1,从 HR 搬运一个元素至 H' ,needcopy – 1,交换 H 和 H' 以及 T 和 T',其他栈置空,退出复制状态。
    5. 如果 H 和 T 都为空,但 needcopy = 0,交换 H 和 H' 以及 T 和 T',其他栈置空,退出复制状态。

 

程序实现(C#)

显然光演示是不够的,这里放上我自己写的 C# 代码供参考(HH = H', TT = T'):

using Generics;

namespace _1._3._49
{
    class StackQueue<Item>
    {
        Stack<Item> H;
        Stack<Item> T;
        Stack<Item> h;
        Stack<Item> HH;
        Stack<Item> TT;
        Stack<Item> Hr;

        bool isRecopying;
        int nowcopying;

        public StackQueue()
        {
            this.isRecopying = false;
            this.nowcopying = 0;

            this.H = new Stack<Item>();
            this.T = new Stack<Item>();
            this.h = new Stack<Item>();
            this.HH = new Stack<Item>();
            this.TT = new Stack<Item>();
            this.Hr = new Stack<Item>();
        }

        public Item Peek()
        {
            if (this.isRecopying)
            {
                return h.Peek();
            }
            else
            {
                return H.Peek();
            }
        }

        public void Enqueue(Item item)
        {
            if (!this.isRecopying && Lendiff() > 0)
            {
                this.nowcopying = 0;
                this.T.Push(item);
            }
            else if (!this.isRecopying && Lendiff() == 0)
            {
                this.T.Push(item);
                this.isRecopying = true;
                this.h = this.H.Copy();
                OneStep(OneStep(this));
            }
            else if (this.isRecopying)
            {
                this.TT.Push(item);
                OneStep(OneStep(this));
            }
        }

        public int Lendiff()
        {
            return this.H.Size() - this.T.Size();
        }

        public Item Dequeue()
        {
            if (!this.isRecopying && Lendiff() > 0)
            {
                return this.H.Pop();
            }
            else if (!this.isRecopying && Lendiff() == 0)
            {
                Item temp = this.H.Pop();
                this.h = this.H.Copy();
                this.isRecopying = true;
                OneStep(OneStep(this));
                return temp;
            }
            else
            {
                Item temp = this.h.Pop();
                this.nowcopying--;
                OneStep(OneStep(this));
                return temp;
            }
        }

        private static StackQueue<Item> OneStep(StackQueue<Item> q)
        {
            if (q.isRecopying && !q.H.IsEmpty() && !q.T.IsEmpty())
            {
                q.nowcopying++;
                q.HH.Push(q.T.Pop());
                q.Hr.Push(q.H.Pop());
            }
            else if (q.isRecopying && q.H.IsEmpty() && !q.T.IsEmpty())
            {
                q.isRecopying = true;
                q.HH.Push(q.T.Pop());
            }
            else if (q.isRecopying && q.H.IsEmpty() && q.T.IsEmpty() && q.nowcopying > 1)
            {
                q.isRecopying = true;
                q.nowcopying--;
                q.HH.Push(q.Hr.Pop());
            }
            else if (q.isRecopying && q.H.IsEmpty() && q.T.IsEmpty() && q.nowcopying == 1)
            {
                q.isRecopying = false;
                q.nowcopying--;
                q.HH.Push(q.Hr.Pop());
                q.H = q.HH;
                q.T = q.TT;
                q.HH = new Stack<Item>();
                q.TT = new Stack<Item>();
                q.Hr = new Stack<Item>();
                q.h = new Stack<Item>();
            }
            else if (q.isRecopying && q.H.IsEmpty() && q.T.IsEmpty() && q.nowcopying == 0)
            {
                q.isRecopying = false;
                q.H = q.HH;
                q.T = q.TT;
                q.HH = new Stack<Item>();
                q.TT = new Stack<Item>();
                q.Hr = new Stack<Item>();
                q.h = new Stack<Item>();
            }
            return q;
        }
    }
}

 

后记

事实上这道题还没有结束,在英文版的《算法(第四版)》中,这道题要求的是只使用 3 个栈而不是有限个,具体可以查看 Stackoverflow 上的讨论

讨论的结果是 6 个栈显然可行,3 个栈的解决方案用到了懒加载技术,还有一种 3 栈方案太过取巧(3 个“栈的栈“),最后还有人试图证明 3 栈方案根本不可能。

显然后来作者意识到了问题因此改成了有限个栈,那么三个栈实现 O(1) 队列是否可能呢?

反正我是不知道怎么弄,尤其是看完 6 个栈的实现方案之后。 ╮(╯_╰)╭

posted @ 2017-07-12 21:35  沈星繁  阅读(1952)  评论(8编辑  收藏