Was bringt es, einen Stack mit zwei Warteschlangen zu implementieren?

Ich habe folgende Hausaufgabenfrage:

Implementieren Sie die Stack-Methoden push (x) und pop () in zwei Warteschlangen.

Das kommt mir merkwürdig vor, weil:

• Ein Stack ist eine (LIFO-) Warteschlange
• Ich verstehe nicht, warum Sie zwei Warteschlangen benötigen würden, um es zu implementieren

Ich habe gesucht:

• GeeksForGeeks
• Paketüberfluss

und fand ein paar Lösungen. Dies ist, was ich am Ende mit:

public class Stack<T> {
    LinkedList<T> q1 = new LinkedList<T>();
    LinkedList<T> q2 = new LinkedList<T>();

    public void push(T t) {
        q1.addFirst(t);
    }

    public T pop() {
        if (q1.isEmpty()) {
            throw new RuntimeException(
                "Can't pop from an empty stack!");
        }

        while(q1.size() > 1) {
            q2.addFirst( q1.removeLast() );
        }

        T popped = q1.pop();

        LinkedList<T> tempQ = q1;
        q1 = q2;
        q2 = tempQ;

        return popped;
    }
}

Aber ich verstehe nicht, was der Vorteil gegenüber der Verwendung einer einzelnen Warteschlange ist. Die Version mit zwei Warteschlangen scheint sinnlos kompliziert zu sein.

Angenommen, wir möchten, dass Pushs die effizientere der beiden sind (wie ich es oben getan habe), pushdass sie gleich bleiben und popdass wir einfach bis zum letzten Element iterieren und es zurückgeben müssen. In beiden Fällen pushwäre das O(1)und das popwäre O(n); aber die Single Queue-Version wäre drastisch einfacher. Es sollte nur eine einzige for-Schleife erforderlich sein.

Vermisse ich etwas? Einsicht hier wäre dankbar.

Es gibt keinen Vorteil: Dies ist eine rein akademische Übung.

Vor sehr langer Zeit, als ich ein Neuling auf dem College war, hatte ich eine ähnliche Übung ¹ . Ziel war es, den Schülern beizubringen, wie man mit objektorientierter Programmierung Algorithmen implementiert, anstatt iterative Lösungen mithilfe von forSchleifen mit Schleifenzählern zu schreiben . Kombinieren und verwenden Sie stattdessen vorhandene Datenstrukturen, um Ihre Ziele zu erreichen.

Sie werden diesen Code niemals in der Real World ^{TM verwenden} . Was Sie von dieser Übung mitnehmen müssen, ist, wie Sie "über den Tellerrand hinaus denken" und Code wiederverwenden können.

Bitte beachten Sie, dass Sie sollten den unter Verwendung java.util.Queue Schnittstelle in Ihrem Code stattdessen die Umsetzung direkt zu verwenden:

Queue<T> q1 = new LinkedList<T>();
Queue<T> q2 = new LinkedList<T>();

Auf diese Weise können Sie bei Bedarf auch andere QueueImplementierungen verwenden und ² Methoden ausblenden, LinkedListdie möglicherweise den Geist der QueueBenutzeroberfläche umgehen. Dies beinhaltet get(int)und pop()(während Ihr Code kompiliert wird, gibt es dort einen logischen Fehler in Anbetracht der Einschränkungen Ihrer Zuweisung. Wenn Sie Ihre Variablen als deklarieren, Queueanstatt LinkedListsie preiszugeben). Zugehörige Lektüre: Grundlegendes zum Programmieren mit einer Schnittstelle und Warum sind Schnittstellen nützlich?

^{1 _{Ich erinnere mich noch: Die Übung bestand darin, einen Stapel nur mit Methoden auf der Stapelschnittstelle und ohne Dienstprogrammmethoden in java.util.Collectionsoder anderen "nur statischen" Dienstprogrammklassen umzukehren . Die richtige Lösung besteht darin, andere Datenstrukturen als temporäre Aufbewahrungsobjekte zu verwenden: Sie müssen die verschiedenen Datenstrukturen, ihre Eigenschaften und deren Kombination kennen. Den größten Teil meiner CS101-Klasse, der noch nie programmiert hatte, überfordert.}}

^{2 _{Die Methoden sind noch vorhanden, aber Sie können nicht ohne Typumwandlungen oder Reflexionen darauf zugreifen. Es ist also nicht einfach , diese Nicht-Warteschlangen-Methoden zu verwenden.}}

Es gibt keinen Vorteil. Sie haben richtig erkannt, dass die Verwendung von Warteschlangen zur Implementierung eines Stacks zu einer schrecklichen Zeitkomplexität führt. Kein (kompetenter) Programmierer würde so etwas jemals im "echten Leben" tun.

Aber es ist möglich. Sie können eine Abstraktion verwenden, um eine andere zu implementieren, und umgekehrt. Ein Stapel kann in Form von zwei Warteschlangen implementiert werden, und Sie können auch eine Warteschlange in Form von zwei Stapeln implementieren. Der Vorteil dieser Übung ist:

• Sie rekapitulieren Stapel
• Sie rekapitulieren Warteschlangen
• man gewöhnt sich an algorithmisches Denken
• Sie lernen stapelbezogene Algorithmen
• Sie müssen sich Gedanken über Kompromisse bei Algorithmen machen
• Indem Sie die Gleichwertigkeit von Warteschlangen und Stapeln erkennen, verbinden Sie verschiedene Themen Ihres Kurses
• Sie sammeln praktische Programmiererfahrung

Tatsächlich ist dies eine großartige Übung. Ich sollte es jetzt selbst machen :)

Es gibt definitiv einen wirklichen Zweck, eine Warteschlange aus zwei Stapeln zu bilden. Wenn Sie unveränderliche Datenstrukturen aus einer funktionalen Sprache verwenden, können Sie einen Stapel von Push-fähigen Elementen verschieben und aus einer Liste von Popp-fähigen Elementen abrufen. Die platzierbaren Elemente werden erstellt, wenn alle Elemente herausgesprungen sind, und der neue platzierbare Stapel ist die Umkehrung des platzierbaren Stapels, in dem der neue platzierbare Stapel jetzt leer ist. Es ist effizient.

Wie für einen Stapel aus zwei Warteschlangen? Dies kann in einem Kontext sinnvoll sein, in dem viele große und schnelle Warteschlangen zur Verfügung stehen. Es ist definitiv nutzlos als diese Art von Java-Übung. Es kann jedoch sinnvoll sein, wenn es sich um Kanäle oder Messaging-Warteschlangen handelt. (dh: N Nachrichten in der Warteschlange mit einer O (1) -Operation, um (N-1) Elemente an der Vorderseite in eine neue Warteschlange zu verschieben.)

Die Übung ist aus praktischer Sicht unnötig konstruiert. Der Punkt ist, Sie zu zwingen, die Schnittstelle der Warteschlange auf geschickte Weise zu verwenden, um den Stapel zu implementieren. Zum Beispiel erfordert Ihre "One Queue" -Lösung, dass Sie die Warteschlange durchlaufen, um den letzten Eingabewert für die Stapel "Pop" -Operation zu erhalten. In einer Warteschlangendatenstruktur können die Werte jedoch nicht durchlaufen werden. Sie können nur im FIFO (First-In, First-Out) darauf zugreifen.

Wie andere bereits angemerkt haben: Es gibt keinen realen Vorteil.

Wie auch immer, eine Antwort auf den zweiten Teil Ihrer Frage, warum man nicht einfach eine Warteschlange benutzt, ist jenseits von Java.

In Java hat sogar die QueueSchnittstelle eine size()Methode und alle Standardimplementierungen dieser Methode sind O (1).

Dies gilt nicht unbedingt für die naive / kanonische verknüpfte Liste, wie sie ein C / C ++ - Programmierer implementieren würde, der lediglich Zeiger auf das erste und letzte Element und jedes Element einen Zeiger auf das nächste Element enthält.

In diesem Fall size()ist O (n) und sollte in Schleifen vermieden werden. Oder die Implementierung ist undurchsichtig und bietet nur das Nötigste add()und remove().

Bei einer solchen Implementierung müssten Sie zuerst die Anzahl der Elemente zählen, indem Sie sie in die zweite Warteschlange übertragen, n-1Elemente zurück in die erste Warteschlange übertragen und das verbleibende Element zurückgeben.

Das heißt, es würde wahrscheinlich nicht so etwas ausmachen, wenn Sie in Java-Land leben.

Eine Verwendung für eine solche Implementierung ist schwer vorstellbar, das stimmt. Es geht aber vor allem darum zu beweisen, dass dies möglich ist .

In Bezug auf die tatsächliche Verwendung dieser Dinge kann ich mir jedoch zwei vorstellen. Eine Verwendung hierfür ist die Implementierung von Systemen in eingeschränkten Umgebungen, die nicht dafür entwickelt wurden : Zum Beispiel die Redstone-Blöcke von Minecraft ein Turing-vollständiges System dar, mit dem Logikschaltungen und sogar ganze CPUs implementiert wurden. In den frühen Tagen des skriptgesteuerten Spielens wurden viele der ersten Spielebots ebenfalls auf diese Weise implementiert.

Aber Sie können auch dieses Prinzip in umgekehrter Richtung gelten, dass etwas Gewährleistung nicht ist in einem System möglich , wenn Sie nicht wollen , es zu sein . Dies kann in Sicherheitskontexten auftreten: Beispielsweise können leistungsstarke Konfigurationssysteme eine Bereicherung sein, es gibt jedoch noch Leistungsgrade, die Sie den Benutzern möglicherweise eher nicht geben. Dies schränkt ein, was Sie der Konfigurationssprache erlauben können, damit sie nicht von einem Angreifer unterlaufen wird. In diesem Fall ist dies jedoch genau das, was Sie möchten.