Stack_Queue 固定容量的栈组SetOfStacks @CareerCup

原文：

Imagine a (literal) stack of plates. If the stack gets too high, it might topple. Therefore, in real life, we would likely start a new stack when the previous stack exceeds some threshold. Implement a data structure SetOfStacks that mimics this. SetOfStacks should be composed of several stacks, and should create a new stack once the previous one exceeds capacity. SetOfStacks.push() and SetOfStacks.pop() should behave identically to a single stack (that is, pop() should return the same values as it would if there were just a single stack).

FOLLOW UP

Implement a function popAt(int index) which performs a pop operation on a specific sub-stack.

译文：

栈就像叠盘子，当盘子叠得太高时，就会倾斜倒下。因此，在真实的世界中，当一叠盘子 (栈)超过了一定的高度时，我们就会另起一堆，再从头叠起。实现数据结构SetOfStacks 来模拟这种情况。SetOfStacks由几个栈组成，当前一栈超出容量时，需要创建一个新的栈 来存放数据。SetOfStacks.push()和SetOfStacks.pop()的行为应当和只有一个栈时 表现的一样。

进一步地，

实现函数popAt(int index)在指定的子栈上进行pop操作。

思路：

我们要设计自己的栈（Stack），栈节点（Node）。然后用一个ArrayList<Stack>来构成栈组SetOfStacks。

我们的栈里面的节点以链表方式存储最佳，因为我们要频繁对栈顶栈底元素操作，如果用array将会导致大量的元素移动。所以我们用链表方式存储栈内的节点，同时对每个栈，我们还维护一个capacity的变量，用来track当前栈内元素个数！

因此，就不难理解Node类的数据结构，Stack类中比较有意思的是join，相当于连接两个节点，在每push进一个新元素时，新元素都要和旧的栈顶元素做join。还有一个函数叫做removeBottom，并不expose给user调用，而是在SetOfStacks的leftShift函数中会用到。

至于SetOfStacks类，有一个原则就是，压入的新元素总是被压倒最后一个栈，这样能保证前面的栈都是满的！所以没有pushAt函数，但是我们支持popAt函数，就是制定在某个栈上pop，当某个栈（除了最后一个栈）被pop掉栈顶元素，那么那个栈就不是满的了，所以我们要递归地从下一个栈，把它的栈底元素移到当前栈。这就需要用到leftShift函数。具体步骤可参考代码，已经详细注释！

这样我们就封装好了SetOfStacks类，也是用户唯一能看到的类。

package Stack_Queue;import java.util.ArrayList;public class S3_3 {//=================================== Node 自定义栈节点，以链表节点方式存在static class Node {public Node above;public Node below;public int value;public Node (int value) {this.value = value;}}//=================================== Stack 自定义的Stack类，以链表方式存储数据！static class Stack {private int capacity;public Node top;public Node bottom;public int size = 0;public Stack(int capacity) {this.capacity = capacity;}// 判断stack是否满了public boolean isFull() {return size == capacity;}// 判断stack是否为空public boolean isEmpty() {return size == 0;}// 让栈内的两个元素产生关联public void join(Node above, Node below) {if(below != null) {below.above = above;}if(above != null) {above.below = below;}}// 压入一个元素public boolean push(int val) {if(size >= capacity) {return false;}size++;Node newNode = new Node(val);if(size == 1) {// 该初始化bottom的情况bottom = newNode;}join(newNode, top);// 把newNode放在原top的上面top = newNode;// 更新栈顶指针return true;}// 弹栈public int pop() {Node ret = top;top = top.below;// 更新栈顶指针size--;// 更新栈sizereturn ret.value;}// 移除栈底元素，返回被移除的值public int removeBottom() {Node ret = bottom;bottom = bottom.above;if(bottom != null) {bottom.below = null;}size--;return ret.value;}}//=================================== SetOfStacks 栈组static class SetOfStacks {ArrayList<Stack> stacks = new ArrayList<Stack>();public int capacity;public SetOfStacks(int capacity) {this.capacity = capacity;}// 从stacks中得到最后一个Stackpublic Stack getLastStack() {if(stacks.size() == 0) {return null;}return stacks.get(stacks.size() - 1);}// 把元素压入SetOfStackspublic void push(int val) {Stack last = getLastStack();if(last != null && !last.isFull()) {last.push(val);} else{// 最后一个stack已经满了，或者stacks为空，必须新建最后一个stackStack stack = new Stack(capacity);stack.push(val);stacks.add(stack);}}// 从SetOfStacks中弹栈public int pop() {Stack last = getLastStack();int val = last.pop();if(last.size == 0) {// 如果最后一个栈空了，就从stacks中移除stacks.remove(stacks.size()-1);}return val;}// 在第index个栈上弹栈public int popAt(int index) {return leftShift(index, true);}// 一个重要的辅助函数，移除当前栈顶元素，并利用递归移动下一个栈底元素到当前栈顶public int leftShift(int index, boolean removeTop) {Stack stack = stacks.get(index);int removedItem;if(removeTop) {removedItem = stack.pop();} else {removedItem = stack.removeBottom();}if(stack.isEmpty()) {stacks.remove(index);} else if(index+1 < stacks.size()) {// 确保有下一个栈，否则证明现在的栈已经是最后一个栈了！// 把下一个栈的栈底元素移到当前栈的栈顶，这样能保证除了最后一个栈，其他栈都是满的！int v = leftShift(index+1, false);stack.push(v);}return removedItem;}// 查看SetOfStacks栈组是否为空，只要看最后一个栈是否为空即可public boolean isEmpty() {Stack last = getLastStack();return last==null || last.isEmpty();}}public static void main(String[] args) {int capacity_per_substack = 5;SetOfStacks set = new SetOfStacks(capacity_per_substack);for (int i = 0; i < 34; i++) {set.push(i);}for (int i = 0; i < 34; i++) {System.out.println("Popped " + set.pop());}}}