食堂店小二儿教你学会栈

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观感度:🌟🌟🌟🌟🌟

口味:酸辣柠檬虾

烹饪时间:10min

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理解栈 Stack

前端食堂里的店小二儿对栈的理解很深刻,我们来听听他是怎样理解栈的。

店小二儿十分勤奋,前台后厨的活儿他都干,每天都要跑前跑后端顾客吃完的盘子。栈就像叠在一起的盘子,客人美滋滋的吃完饭,店小二去收拾桌子捡起盘子时,都是从下往上一个一个的放盘子。而他在后厨橱柜上取盘子给厨师时,是从上往下一个一个依次的取。

这也就是所谓的 LIFO (Last In, First Out, 后进先出)。

在 JavaScript 中,我们可以通过数组来简单模拟下栈:

function Stack() {
  var items = [];
  // 添加元素到栈顶
  this.push = function(element) {
    items.push(element);
  }
  // 移除栈顶的元素,同时返回它们
  this.pop = function() {
    return items.pop();
  }
  // 返回栈顶的元素,不对栈做任何修改
  this.peek = function() {
    return items[items.length - 1];
  }
  // 判断栈是否为空,为空则返回true,否则返回false
  this.isEmpty = function() {
    return items.length === 0;
  }
  // 返回栈里的元素个数
  this.size = function() {
    return items.length;
  }
  // 清空栈
  this.clear = function() {
    items = [];
  }
}

栈的特点

  • 栈是一种“操作受限”的线性表,只能从一端插入或删除数据。
  • 入栈和出栈的时间复杂度、空间复杂度都是 O(1)。

栈的应用

栈的应用有很多,比如我们熟知的函数调用栈、浏览器的前进后退还有汉诺塔小游戏等。

LeetCode 真题

点击上方链接即可跳转读题,这是一道难度为困难的题,不过大家不要被它所迷惑,其实它不是很难。

解决这道题,最直观的办法就是暴力求解。我们可以先来分析一波:

读题的第一遍,实际上就是要求在宽度为 1 的 n 个柱子能勾勒出来的矩形的最大面积。

这不就是个幼儿园的数学问题吗?

面积 = 底 * 高

撸它!

暴力法

方法一:双重循环遍历出所有的可能性,在遍历的过程中我们还可以求出最小的高度。

const largestRectangleArea = function(heights) {
  let maxArea = 0;
  let len = heights.length;
  for (let i = 0; i < len; i++) {
    let minHeight = heights[i];
    for (let j = i; j < len; j++) {
      minHeight = Math.min(minHeight, heights[j]);
      maxArea = Math.max(maxArea, minHeight * (j - i + 1));
    }
  }
}

方法二:确定一根柱子后,分别向前后两个方向遍历。

const largestRectangleArea = function(heights) {
  let maxArea = 0;
  let len = heights.length;
  for (let i = 0; i < len; i++) {
    let left = i;
    let right = i;
    while (left >= 0 && heights[left] >= heights[i]) {
      left--;
    }
    while (right < len && heights[right] >= heights[i]) {
      right++;
    }
    maxArea = Math.max(maxArea, (right - left - 1) * heights[i]);
  }
  return maxArea;
}

但是这两种方法的时间复杂度都是 O(n^2),空间复杂度是 O(1)。时间复杂度太高了,我们需要想办法进行优化。

使用单调递增栈

我们来思考一个问题,我们究竟想要求的最大面积是什么?

不妨拿起笔画画图,我这里帮你画好了,观察上图,便可以得出:

其实就是以 i 为中心,分别向左、向右找到第一个小于 heighs[i] 的两个边界,也就是以当前这根 i 柱子所能勾勒出的最大面积。

那么,我们为什么要借助单调递增栈这种数据结构呢?

单调递增,也就是我们可以通过 O(1) 的时间复杂度确定柱体 i 的左边界!

又是以空间换时间的套路!

如何确定右边界?

只需遍历一次柱体数组,将大于等于当前柱体的柱子们推入栈中,而当遍历到的柱子高度小于栈顶的柱子高度时,这时我们找到了右边界,可以将栈顶的柱子弹出栈
来计算矩形面积了!

处理特殊边界情况?

引入前后边界,在柱体数组前后各放入一根高度为 0 的柱子。这样便无需考虑栈空以及栈中还有剩余柱子的情况啦!

ok,上代码!

const largestRectangleArea = function(heights) {
  let maxArea = 0;
  let stack = [];
  heights.push(0);
  heights.unshift(0);
  // heights = [0, ...heights, 0]; 你也可以这样写
  for (let i = 0; i < heights.length; i++) {
    while (stack.length > 0 && heights[stack[stack.length - 1]] > heights[i]) {
      maxArea = Math.max(maxArea, heights[stack.pop()] * (i - stack[stack.length - 1] - 1));
    }
    stack.push(i);
  }
  return maxArea;
}
  • 时间复杂度:O(N)
  • 空间复杂度:O(N)

希望本文可以让你对栈的理解更深一层,如果你还没看过瘾,可以移步我的主页有其他算法系列的文章。

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