LeetCode算法挑战：最小栈的Java实现与优化

这是悦乐书的第177次更新，第179篇原创

01 看题和准备

今天介绍的是LeetCode算法题中Easy级别的第36题（顺位题号是155）。设计一个支持push，pop，top和在恒定时间内检索最小元素的堆栈。

push（x） - 将元素x推入堆栈。

pop（） - 删除堆栈顶部的元素。

top（） - 获取顶部元素。

getMin（） - 检索堆栈中的最小元素。

例如：

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。

本次解题使用的开发工具是eclipse，jdk使用的版本是1.8，环境是win7 64位系统，使用Java语言编写和测试。

02 第一种解法

利用整型数组和ArrayList作为栈。

入栈的时候，创建一个容量为2的数组，数组第一个元素是要入栈的元素，第二个元素是最小值，将数组添加到list中。

出栈的时候，获取list的最后一个元素，并将其移除，此时的最小值是list最后一位元素（数组）的第二个值。

获取栈顶，即是list中最后一位元素（数组）的第一个值。

最小值直接返回最小值即可。

class MinStack {

    private List stack ;
    private int min ;

    public MinStack() {
        stack = new ArrayList();
    }

    public void push(int x) {
        int[] arr = new int[2];
        arr[0] = x;
        arr[1] = stack.isEmpty() ? x : Math.min(x, min);
        min = arr[1];
        stack.add(arr);
    }

    public void pop() {
        if (!stack.isEmpty()) {
            stack.remove(stack.size()-1);
            min = stack.isEmpty() ? 0 : stack.get(stack.size()-1)[1];
        }
    }

    public int top() {
        return stack.get(stack.size()-1)[0];
    }

    public int getMin() {
        return min;
    }
}

03 第二种解法

此解法使用了栈本身和优先队列两种结构，优先队列是为了解决最小值的问题。

入栈、出栈、栈顶这些操作都可以用栈本身的方法，而最小值则是优先队列的头部元素，因为优先队列自带排序算法，在初始化时如果不指定排序方式，则默认以自然方式排序。所以在入栈时，一并也将元素放入优先队列中，而最小值就是队列的头部元素，而其他元素的顺序是不是按升序依次排列的，这个还真不一定，但是如果你通过实现Comparable接口，重写其compareTo方法，可以按照自己定义的方式来排序。

class MinStack2 {
    PriorityQueue pQueue = new PriorityQueue(); 
    Stack stack = new Stack();                    

    public MinStack2() {}

    public void push(int x) {
        pQueue.add(x);
        stack.push(x);
    }

    public void pop() {
        int trmp = stack.pop();
        pQueue.remove(trmp);
    }

    public int top() {
        return stack.peek();
    }

    public int getMin() {
        return pQueue.peek();
    }
}

04 第三种解法

使用两个栈，一个作为正常的栈进行入栈、出栈、获取栈顶操作，另外一个栈则存储最小值，每次在第一个栈进行入栈和出栈操作时，都要进行判断，对第二个栈中的最小值进行相应的操作。

class MinStack3 {
    private Stack s1 = new Stack<>();
    private Stack s2 = new Stack<>();

    public MinStack3() {}

    public void push(int x) {
        s1.push(x);
        if (s2.isEmpty() || s2.peek() >= x) {
            s2.push(x);
        }
    }

    public void pop() {
        int x = s1.pop();
        if (s2.peek() == x) s2.pop();
    }

    public int top() {
        return s1.peek();
    }

    public int getMin() {
        return s2.peek();
    }
}

05 第四种解法

较之第三种解法，此解法只使用了一个栈来完成入栈、出栈、获取栈顶和最小值的全部操作。

入栈时，如果新入栈的元素比最小值小，那么要将旧的最小值入栈，并且新的最小值是此时新入栈的元素，最后再将新元素入栈。

出栈时，如果要移除的元素正好是当前最小值，那么就需要再出栈一次，并且最小值等于第二次出栈要移除的值，因为入栈时是会将旧的最小值添加进去的，所以出栈时要做此判断。

class MinStack4 {
    int min = Integer.MAX_VALUE;
    Stack stack = new Stack();

    public void push(int x) {
        if(x <= min){          
            stack.push(min);
            min = x;
        }
        stack.push(x);
    }

    public void pop() {
        if(stack.pop() == min) {
            min=stack.pop();
        }
    }

    public int top() {
        return stack.peek();
    }

    public int getMin() {
        return min;
    }
}

06 小结

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