LeetCode 题解

LeetCode 第 155 题：“最小栈”题解

题解地址：使用辅助栈（同步和不同步，Python 代码、Java 代码）。

说明：文本首发在力扣的题解版块，更新也会在第 1 时间在上面的网站中更新，这篇文章只是上面的文章的一个快照，您可以点击上面的链接看到其他网友对本文的评论。

传送门：155. 最小栈。

设计一个支持 push，pop，top 操作，并能在常数时间内检索到最小元素的栈。

push(x) -- 将元素 x 推入栈中。 pop() -- 删除栈顶的元素。 top() -- 获取栈顶元素。 getMin() -- 检索栈中的最小元素。 示例:

MinStack minStack = new MinStack(); minStack.push(-2); minStack.push(0); minStack.push(-3); minStack.getMin(); --> 返回 -3. minStack.pop(); minStack.top(); --> 返回 0. minStack.getMin(); --> 返回 -2.

使用辅助栈（同步和不同步，Python 代码、Java 代码）

这道题的思想很简单：“以空间换时间”，使用辅助栈是常见的做法。

思路分析：

在代码实现的时候有两种方式：

1、辅助栈和数据栈同步

特点：编码简单，不用考虑一些边界情况，就有一点不好：辅助栈可能会存一些“不必要”的元素。

2、辅助栈和数据栈不同步

特点：由“辅助栈和数据栈同步”的思想，我们知道，当数据栈进来的数越来越大的时候，我们要在辅助栈顶放置和当前辅助栈顶一样的元素，这样做有点“浪费”。基于这一点，我们做一些“优化”，但是在编码上就要注意一些边界条件。

（1）辅助栈为空的时候，必须放入新进来的数；

（2）新来的数小于或者等于辅助栈栈顶元素的时候，才放入，特别注意这里“等于”要考虑进去，因为出栈的时候，连续的、相等的并且是最小值的元素要同步出栈；

（3）出栈的时候，辅助栈的栈顶元素等于数据栈的栈顶元素，才出栈。

总结一下：出栈时，最小值出栈才同步；入栈时，最小值入栈才同步。

对比：个人觉得“同步栈”的方式更好一些，因为思路清楚，因为所有操作都同步进行，所以调试代码、定位问题也简单。“不同步栈”，虽然减少了一些空间，但是在“出栈”、“入栈”的时候还要做判断，也有性能上的消耗。

方法一：辅助栈和数据栈同步

参考代码 1：

Python 代码：

class MinStack:

    # 辅助栈和数据栈同步
    # 思路简单不容易出错

    def __init__(self):
        # 数据栈
        self.data = []
        # 辅助栈
        self.helper = []

    def push(self, x):
        self.data.append(x)
        if len(self.helper) == 0 or x <= self.helper[-1]:
            self.helper.append(x)
        else:
            self.helper.append(self.helper[-1])

    def pop(self):
        if self.data:
            self.helper.pop()
            return self.data.pop()

    def top(self):
        if self.data:
            return self.data[-1]

    def getMin(self):
        if self.helper:
            return self.helper[-1]

Java 代码：

import java.util.Stack;

public class MinStack {

    // 数据栈
    private Stack<Integer> data;
    // 辅助栈
    private Stack<Integer> helper;

    /**
     * initialize your data structure here.
     */
    public MinStack() {
        data = new Stack<>();
        helper = new Stack<>();
    }

    // 思路 1：数据栈和辅助栈在任何时候都同步

    public void push(int x) {
        // 数据栈和辅助栈一定会增加元素
        data.add(x);
        if (helper.isEmpty() || helper.peek() >= x) {
            helper.add(x);
        } else {
            helper.add(helper.peek());
        }
    }

    public void pop() {
        // 两个栈都得 pop
        if (!data.isEmpty()) {
            helper.pop();
            data.pop();
        }
    }

    public int top() {
        if(!data.isEmpty()){
            return data.peek();
        }
        throw new RuntimeException("栈中元素为空，此操作非法");
    }

    public int getMin() {
        if(!helper.isEmpty()){
            return helper.peek();
        }
        throw new RuntimeException("栈中元素为空，此操作非法");
    }
}

复杂度分析：

  • 时间复杂度：O(1)O(1)，“出栈”、“入栈”、“查看栈顶元素”的操作不论数据规模多大，都只是有限个步骤，因此时间复杂度是：O(1)O(1)。
  • 空间复杂度：O(N)O(N)，这里 NN 是读出的数据的个数。

方法二：辅助栈和数据栈不同步

参考代码 2：

Python 代码：

class MinStack:

    # 辅助栈和数据栈不同步
    # 关键 1：辅助栈的元素空的时候，必须放入新进来的数
    # 关键 2：新来的数小于或者等于辅助栈栈顶元素的时候，才放入（特别注意这里等于要考虑进去）
    # 关键 3：出栈的时候，辅助栈的栈顶元素等于数据栈的栈顶元素，才出栈，即"出栈保持同步"就可以了

    def __init__(self):
        # 数据栈
        self.data = []
        # 辅助栈
        self.helper = []

    def push(self, x):
        self.data.append(x)
        # 关键 1 和关键 2
        if len(self.helper) == 0 or x <= self.helper[-1]:
            self.helper.append(x)

    def pop(self):
        # 关键 3：【注意】不论怎么样，数据栈都要 pop 出元素
        top = self.data.pop()

        if self.helper and top == self.helper[-1]:
            self.helper.pop()
        return top

    def top(self):
        if self.data:
            return self.data[-1]

    def getMin(self):
        if self.helper:
            return self.helper[-1]

Java 代码：

import java.util.Stack;

public class MinStack {

    // 数据栈
    private Stack<Integer> data;
    // 辅助栈
    private Stack<Integer> helper;

    /**
     * initialize your data structure here.
     */
    public MinStack() {
        data = new Stack<>();
        helper = new Stack<>();
    }

    // 思路 2：辅助栈和数据栈不同步
    // 关键 1：辅助栈的元素空的时候，必须放入新进来的数
    // 关键 2：新来的数小于或者等于辅助栈栈顶元素的时候，才放入（特别注意这里等于要考虑进去）
    // 关键 3：出栈的时候，辅助栈的栈顶元素等于数据栈的栈顶元素，才出栈，即"出栈保持同步"就可以了

    public void push(int x) {
        // 辅助栈在必要的时候才增加
        data.add(x);
        // 关键 1 和 关键 2
        if (helper.isEmpty() || helper.peek() >= x) {
            helper.add(x);
        }
    }

    public void pop() {
        // 关键 3：data 一定得 pop()
        if (!data.isEmpty()) {
            // 注意：声明成 int 类型，这里完成了自动拆箱，从 Integer 转成了 int，因此下面的比较可以使用 "==" 运算符
            // 参考资料：https://www.cnblogs.com/GuoYaxiang/p/6931264.html
            // 如果把 top 变量声明成 Integer 类型，下面的比较就得使用 equals 方法
            int top = data.pop();
            if(top == helper.peek()){
                helper.pop();
            }
        }
    }

    public int top() {
        if(!data.isEmpty()){
            return data.peek();
        }
        throw new RuntimeException("栈中元素为空，此操作非法");
    }

    public int getMin() {
        if(!helper.isEmpty()){
            return helper.peek();
        }
        throw new RuntimeException("栈中元素为空，此操作非法");
    }

}

复杂度分析：

  • 时间复杂度：O(1)O(1)，“出栈”、“入栈”、“查看栈顶元素”的操作不论数据规模多大，都只有有限个步骤，因此时间复杂度是：O(1)O(1)。
  • 空间复杂度：O(N)O(N)，这里 NN 是读出的数据的个数。

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