Apa gunanya menerapkan Stack menggunakan dua antrian?


34

Saya memiliki pertanyaan pekerjaan rumah berikut:

Terapkan metode stack push (x) dan pop () menggunakan dua antrian.

Ini aneh bagi saya karena:

  • Stack adalah antrian (LIFO)
  • Saya tidak mengerti mengapa Anda perlu dua antrian untuk mengimplementasikannya

Saya mencari di sekitar:

dan menemukan beberapa solusi. Inilah yang akhirnya saya dapatkan:

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;
    }
}

Tapi saya tidak mengerti apa kelebihannya daripada menggunakan satu antrian; versi dua antrian tampaknya rumit tanpa tujuan.

Katakanlah kita memilih untuk mendorong menjadi lebih efisien dari 2 (seperti yang saya lakukan di atas), pushakan tetap sama, dan pophanya akan membutuhkan iterasi ke elemen terakhir, dan mengembalikannya. Dalam kedua kasus, pushakan menjadi O(1), dan popakan menjadi O(n); tetapi versi antrian tunggal akan lebih sederhana secara drastis. Seharusnya hanya membutuhkan satu loop.

Apakah saya melewatkan sesuatu? Setiap wawasan di sini akan dihargai.


17
Antrian biasanya mengacu pada struktur FIFO sementara tumpukan adalah struktur LIFO. Antarmuka untuk LinkedList di Jawa adalah antarmuka (antrian ujung ganda) yang memungkinkan akses FIFO dan LIFO. Coba ubah pemrograman ke antarmuka Antrian daripada implementasi LinkedList.

12
Masalah yang lebih umum adalah mengimplementasikan antrian menggunakan dua tumpukan. Anda mungkin menemukan buku Chris Okasaki tentang struktur data yang murni fungsional menarik.
Eric Lippert

2
Membangun apa kata Eric, Anda kadang-kadang dapat menemukan diri Anda dalam bahasa berbasis tumpukan (seperti dc atau automaton push down dengan dua tumpukan (setara dengan mesin turing karena, yah, Anda dapat melakukan lebih banyak)) di mana Anda dapat menemukan diri Anda dengan banyak tumpukan, tetapi tidak ada antrian.

1
@MichaelT: Atau Anda juga bisa menggunakan CPU berbasis stack
slebetman

11
"Tumpukan adalah antrian (LIFO)" ... uhm, antrian adalah garis tunggu. Seperti garis untuk menggunakan toilet umum. Apakah garis yang Anda tunggu pernah berperilaku dengan cara LIFO? Berhenti menggunakan istilah "antrian LIFO", itu tidak masuk akal.
Mehrdad

Jawaban:


44

Tidak ada keuntungan: ini murni latihan akademis.

Sebuah sangat lama lalu ketika saya masih mahasiswa baru di perguruan tinggi saya memiliki latihan yang sama 1 . Tujuannya adalah untuk mengajarkan siswa bagaimana menggunakan pemrograman berorientasi objek untuk mengimplementasikan algoritma alih-alih menulis solusi berulang menggunakan forloop dengan penghitung loop. Alih-alih, gabungkan dan gunakan kembali struktur data yang ada untuk mencapai tujuan Anda.

Anda tidak akan pernah menggunakan kode ini di Dunia Nyata TM . Yang perlu Anda ambil dari latihan ini adalah bagaimana "berpikir di luar kotak" dan menggunakan kembali kode.


Harap perhatikan bahwa Anda harus menggunakan antarmuka java.util.Queue dalam kode Anda alih-alih menggunakan implementasi secara langsung:

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

Ini memungkinkan Anda untuk menggunakan Queueimplementasi lain jika diinginkan, serta menyembunyikan 2 metode yang ada LinkedListyang mungkin menyiasati semangat Queueantarmuka. Ini termasuk get(int)dan pop()(saat kode Anda dikompilasi, ada kesalahan logika di sana mengingat kendala tugas Anda. Mendeklarasikan variabel Anda sebagai Queueganti LinkedListakan mengungkapkannya). Bacaan terkait: Memahami “pemrograman ke suatu antarmuka” dan Mengapa antarmuka bermanfaat?

1 Saya masih ingat: latihannya adalah membalikkan tumpukan dengan hanya menggunakan metode pada antarmuka Stack dan tidak ada metode utilitas di java.util.Collectionskelas utilitas "statis saja" lainnya. Solusi yang benar melibatkan penggunaan struktur data lain sebagai objek penampung sementara: Anda harus mengetahui struktur data yang berbeda, propertinya, dan cara menggabungkannya untuk melakukannya. Mengacaukan sebagian besar kelas CS101 saya yang belum pernah diprogram sebelumnya.

2 Metode ini masih ada, tetapi Anda tidak dapat mengaksesnya tanpa mengetik gips atau refleksi. Jadi tidak mudah untuk menggunakan metode non-antrian itu.


1
Terima kasih. Saya rasa itu masuk akal. Saya juga menyadari bahwa saya menggunakan operasi "ilegal" dalam kode di atas (mendorong ke depan FIFO), tetapi saya tidak berpikir itu mengubah apa pun. Saya membalik semua operasi, dan masih berfungsi sebagaimana mestinya. Saya akan menunggu sedikit sebelum saya menerima karena saya tidak ingin membuat orang lain memberi masukan. Terima kasih.
Carcigenicate

19

Tidak ada keuntungan. Anda telah benar menyadari bahwa menggunakan Antrian untuk mengimplementasikan Stack mengarah pada kompleksitas waktu yang mengerikan. Tidak ada (kompeten) programmer yang akan melakukan hal seperti ini di "kehidupan nyata".

Tapi itu mungkin. Anda dapat menggunakan satu abstraksi untuk mengimplementasikan yang lain, dan sebaliknya. Tumpukan dapat diimplementasikan dalam dua Antrian, dan Anda juga dapat menerapkan Antrian dalam dua tumpukan. Keuntungan dari latihan ini adalah:

  • Anda rekap tumpukan
  • Anda rekap Antrian
  • Anda terbiasa dengan pemikiran algoritmik
  • Anda mempelajari algoritma terkait tumpukan
  • Anda bisa memikirkan pengorbanan dalam algoritma
  • dengan menyadari kesetaraan Antrian dan Tumpukan, Anda menghubungkan berbagai topik kursus Anda
  • Anda mendapatkan pengalaman pemrograman praktis

Sebenarnya, ini adalah latihan yang bagus. Saya harus melakukannya sendiri sekarang :)


3
@JohnKugelman Terima kasih atas hasil edit Anda, tetapi saya benar-benar bermaksud "kompleksitas waktu yang mengerikan". Untuk tumpukan berbasis-daftar-tertaut push, peekdan popoperasinya ada di O (1). Hal yang sama untuk stack berbasis array yang dapat diubah ukurannya, kecuali yang pushada di O (1) diamortisasi, dengan O (n) kasus terburuk. Dibandingkan dengan itu, tumpukan berbasis antrian jauh lebih rendah dengan O (n) push, O (1) pop dan mengintip, atau sebagai alternatif O (1) push, O (n) pop dan mengintip.
amon

1
"kompleksitas waktu yang mengerikan" dan "jauh lebih rendah" tidak sepenuhnya benar. Kompleksitas yang diamortisasi masih O (1) untuk push dan pop. Ada pertanyaan menyenangkan dalam TAOCP (vol1?) Tentang itu (pada dasarnya Anda harus menunjukkan bahwa berapa kali suatu elemen dapat beralih dari satu tumpukan ke yang lain adalah konstan). Kinerja kasus terburuk untuk satu operasi berbeda, tapi kemudian saya jarang mendengar ada yang berbicara tentang kinerja O (N) untuk mendorong ArrayLists - bukan angka yang biasanya menarik.
Voo

5

Pasti ada tujuan nyata untuk membuat antrian dari dua tumpukan. Jika Anda menggunakan struktur data yang tidak dapat diubah dari bahasa fungsional, Anda dapat mendorong ke dalam tumpukan item yang dapat didorong, dan menarik dari daftar item yang dapat diperbaiki. Item yang dapat dibuka akan dibuat ketika semua item telah muncul, dan stack yang dapat dibuka adalah kebalikan dari stack yang dapat didorong, di mana stack yang dapat didorong yang baru sekarang kosong. Itu efisien.

Adapun tumpukan yang terbuat dari dua antrian? Itu mungkin masuk akal dalam konteks di mana Anda memiliki banyak antrian besar dan cepat yang tersedia. Ini benar-benar tidak berguna karena latihan Java semacam ini. Tetapi mungkin masuk akal jika itu adalah saluran atau antrian pengiriman pesan. (yaitu: N pesan enqueued, dengan operasi O (1) untuk memindahkan (N-1) item di depan ke antrian baru.)


Hmm .. ini membuat saya berpikir tentang menggunakan register geser sebagai dasar komputasi dan tentang arsitektur sabuk / pabrik
slebetman

wow, CPU Mill memang menarik. "Mesin Antrian" pasti.
Rob

2

Latihan ini dibuat dari sudut pandang praktis. Intinya adalah untuk memaksa Anda menggunakan antarmuka antrian dengan cara yang cerdas untuk mengimplementasikan tumpukan. Sebagai contoh, solusi "Satu antrian" Anda mengharuskan Anda mengulangi antrian untuk mendapatkan nilai input terakhir untuk operasi tumpukan "pop". Namun, struktur data antrian tidak memungkinkan untuk beralih pada nilai-nilai, Anda dibatasi untuk mengaksesnya di masuk pertama, keluar pertama (FIFO).


2

Seperti yang telah dicatat oleh orang lain: tidak ada keuntungan dunia nyata.

Bagaimanapun, satu jawaban untuk bagian kedua dari pertanyaan Anda, mengapa tidak hanya menggunakan satu antrian, berada di luar Jawa.

Di Jawa bahkan Queueantarmuka memiliki size()metode dan semua implementasi standar dari metode tersebut adalah O (1).

Itu belum tentu benar untuk daftar tertaut yang naif / kanonik seperti yang akan diimplementasikan oleh programmer C / C ++, yang hanya akan menyimpan pointer ke elemen pertama dan terakhir dan setiap elemen pointer ke elemen berikutnya.

Dalam hal ini size()adalah O (n) dan harus dihindari dalam loop. Atau implementasinya tidak jelas dan hanya menyediakan minimum add()dan minimum remove().

Dengan implementasi seperti itu Anda harus menghitung jumlah elemen terlebih dahulu dengan mentransfernya ke antrian kedua, mentransfer n-1elemen kembali ke antrian pertama dan mengembalikan elemen yang tersisa.

Yang mengatakan, itu mungkin tidak akan membuat sesuatu seperti ini jika Anda tinggal di tanah Jawa.


Poin bagus tentang size()metode ini. Namun, dengan tidak adanya metode O (1) size(), itu sepele untuk stack untuk melacak ukurannya sendiri. Tidak ada yang menghentikan implementasi satu antrian.
cmaster

Itu semua tergantung pada implementasinya. Jika Anda memiliki antrian, diimplementasikan dengan hanya meneruskan pointer dan pointer ke elemen pertama dan terakhir, Anda masih bisa menulis dan algoritma yang menghapus elemen, menyimpannya ke variabel lokal, menambahkan elemen sebelumnya dalam variabel itu ke antrian yang sama sampai elemen pertama terlihat lagi. Ini hanya berfungsi jika Anda dapat secara unik mengidentifikasi elemen (misalnya melalui pointer) dan bukan hanya sesuatu dengan nilai yang sama. O (n) dan hanya menggunakan add () dan hapus (). Bagaimanapun, lebih mudah untuk mengoptimalkan, untuk menemukan alasan untuk melakukan itu, kecuali memikirkan algoritma.
Thraidh

0

Sulit membayangkan penggunaan untuk implementasi seperti itu, itu benar. Tetapi sebagian besar intinya adalah untuk membuktikan bahwa itu bisa dilakukan .

Dalam hal penggunaan sebenarnya untuk hal-hal ini, saya dapat memikirkan dua hal. Satu kegunaan untuk ini adalah menerapkan sistem di lingkungan terbatas yang tidak dirancang untuknya : misalnya, blok redstone Minecraft berubah untuk mewakili sistem Turing-lengkap, yang telah digunakan orang untuk mengimplementasikan sirkuit logika dan bahkan seluruh CPU. Pada hari-hari awal game yang digerakkan oleh skrip, banyak bot game pertama juga diterapkan dengan cara ini.

Tetapi Anda juga dapat menerapkan prinsip ini secara terbalik, memastikan bahwa ada sesuatu yang tidak mungkin dalam sistem ketika Anda tidak menginginkannya . Ini dapat muncul dalam konteks keamanan: misalnya, sistem konfigurasi yang kuat dapat menjadi aset, tetapi masih ada tingkat daya yang Anda mungkin lebih suka tidak berikan kepada pengguna. Ini membatasi apa yang dapat Anda izinkan untuk melakukan bahasa konfigurasi, jangan sampai itu ditumbangkan oleh penyerang, tetapi dalam hal ini, itulah yang Anda inginkan.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.