【LeetCode】剑指 Offer Ⅱ 第6章：栈（6道题） -- Java Version

题库链接：https://leetcode.cn/problem-list/e8X3pBZi/

在这里插入图片描述

类型	题目	解决方案
栈的应用	剑指 Offer II 036. 后缀表达式	模拟 + 栈 ⭐
	剑指 Offer II 037. 小行星碰撞	分类讨论 + 栈 ⭐
单调栈	剑指 Offer II 038. 每日温度	单调栈 ⭐
	剑指 Offer II 039. 直方图最大矩形面积	单调栈 ⭐
	剑指 Offer II 040. 矩阵中的最大矩形	矩阵转化直方图 + 单调栈 ⭐

栈：后入后出，所以栈的插入和删除操作都发生在栈顶；
Java 中 Stack 的常用操作：

push(e)：元素 e 入栈；
pop()：位于栈顶的元素出栈，并返回该元素；
peek()：返回位于栈顶的元素，该元素不出栈；

1. 剑指 Offer II 036. 后缀表达式 – P93

根据逆波兰表示法，求该后缀表达式的计算结果。
有效的算符包括 +、-、*、/ 。每个运算对象可以是整数，也可以是另一个逆波兰表达式。

1.1 模拟 + 栈 – O(n)（⭐）

时间复杂度 $O (n)$ ，空间复杂度 $O (n)$

🎈 注意：该题是通过栈来保存操作数，但不保存运算符，通过对运算符的判断从而进行数值的模拟计算。

class Solution {
    // Solution1：用栈存储，每当遇到运算符时，就从栈中弹出两个数进行计算后存入
    // Note：栈中只保存操作数，不保存运算符
    public int evalRPN(String[] tokens) {
        ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();

        for (String token : tokens) {
            switch(token) {
                case "+":
                case "-":
                case "*":
                case "/":
                    int num1 = deque.pop();
                    int num2 = deque.pop();
                    deque.push(caculate(num1, num2, token));
                    break;
                default:  // 不是运算符，则入栈
                    deque.push(Integer.parseInt(token));
            }
        }
        return deque.poll();  // 最后栈中只剩下最终结果
    }

    public int caculate(int a, int b, String operator) {
        switch(operator) {
            case "+":
                return a + b;
            case "-":
                return b - a;
            case "*":
                return b * a;
            case "/":
                return b / a;
            default:
                return 0;
        }
    }
}

在这里插入图片描述

2. 剑指 Offer II 037. 小行星碰撞 – P96

给定一个整数数组 asteroids，表示在同一行的小行星。
对于数组中的每一个元素，其绝对值表示小行星的大小，正负表示小行星的移动方向（正表示向右移动，负表示向左移动）。每一颗小行星以相同的速度移动。
找出碰撞后剩下的所有小行星。碰撞规则：两个行星相互碰撞，较小的行星会爆炸。如果两颗行星大小相同，则两颗行星都会爆炸。两颗移动方向相同的行星，永远不会发生碰撞。

2.1 分类讨论 + 栈 – O(n)（⭐）

时间复杂度 $O (n)$ ，空间复杂度 $O (n)$

class Solution {
    public int[] asteroidCollision(int[] asteroids) {
        ArrayDeque<Integer> deque = new ArrayDeque<>();

        for (int as : asteroids) {
            // 1. 栈非空，相向碰撞，保留大值
            while (!deque.isEmpty() && deque.peek() > 0 && deque.peek() < -as) {
                deque.pop();
            }
            // 2. 栈非空，相向碰撞，同归于尽
            if (!deque.isEmpty() && as < 0 && deque.peek() == -as) {
                deque.pop();
            }
            // 3. 同向 | 栈为空 ，则入栈
            else if (as > 0 || deque.isEmpty() || deque.peek() < 0) {
                deque.push(as);
            }
        }

        int[] res = new int[deque.size()];
        for (int i = res.length-1; i >= 0; i--) {
            res[i] = deque.pop();
        }
        return res;
    }
}

在这里插入图片描述

3. 剑指 Offer II 038. 每日温度 – P98

请根据每日气温列表 temperatures ，重新生成一个列表，要求其对应位置的输出为：要想观测到更高的气温，至少需要等待的天数。如果气温在这之后都不会升高，请在该位置用 0 来代替。

3.1 单调栈 – O(n)（⭐）

时间复杂度 $O (n)$ ，空间复杂度 $O (n)$

关于单调栈的更多内容可参考：【华为机考】专题突破第一周：单调栈 739 、503 、901、84
……
该题解中的栈存储的是元素的下标。

class Solution {
    // Solution1：单调栈
    public int[] dailyTemperatures(int[] temperatures) {
        int[] res = new int[temperatures.length];
        Stack<Integer> sk = new Stack<>();

        for (int i = 0; i < temperatures.length; i++) {
            // 如果栈非空，且当前气温大于栈顶气温，则计算等待天数，并弹出栈顶元素
            while (!sk.empty() && temperatures[i] > temperatures[sk.peek()]) {
                int index = sk.pop();
                res[index] = i - index; 
            }
            // 顺序添加每个元素，不存在更大气温的元素会被永远存在栈中
            sk.push(i);
        }
        return res;
    }
}

在这里插入图片描述

4. 剑指 Offer II 039. 直方图最大矩形面积 – P100

给定非负整数数组 heights ，数组中的数字用来表示柱状图中各个柱子的高度。每个柱子彼此相邻，且宽度为 1 。
求在该柱状图中，能够勾勒出来的矩形的最大面积。

4.1 单调栈 – O(n)（⭐）

时间复杂度 $O (n)$ ，空间复杂度 $O (n)$

Key：每次计算的是某某高度下的矩形的最大面积。高为出栈元素高度，宽则为比该出栈元素小的两侧元素下标的差值。

class Solution {
    // Solution1：单调递增栈，栈中存储元素下标
    public int largestRectangleArea(int[] heights) {
        Stack<Integer> sk = new Stack<>();
        sk.push(-1);  // 初始下标
        int max = 0;
        for (int i = 0; i < heights.length; i++) {
            // 如果当前元素小于或等于栈顶元素，则让栈顶元素出栈，同时计算栈顶高度矩形的最大面积
            while (sk.peek() != -1 && heights[sk.peek()] >= heights[i]) {
                int h = heights[sk.pop()];
                int w = i - sk.peek() - 1;
                max = Math.max(max, h * w);
            }
            // 栈中元素始终保持单调递增
            sk.push(i);
        }

        while (sk.peek() != -1) {  // 计算栈中剩余元素高度矩形的最大面积
            int h = heights[sk.pop()];
            int w = heights.length - sk.peek() -1;
            max = Math.max(max, h * w);
        }

        return max;
    }
}

在这里插入图片描述

4.2 分治 – O(logn)

时间复杂度 $O (l o g n)$ ，空间复杂度 $O (n)$

Key：将直方图的最大矩形分成了3种可能：1. 矩形通过最矮的柱子；2. 矩形的起始柱子和终止柱子都在最矮的柱子的左侧；3. 矩形的起始柱子和终止柱子都在最矮的柱子的右侧。

class Solution {
    // Solution2：分治法
    // 每次找最小的元素为中点，然后向左右两侧递归
    public int largestRectangleArea(int[] heights) {
        return helper(heights, 0, heights.length);
    }

    public int helper(int[] heights, int l, int r) {
        if (l == r) return 0;

        if (l+1 == r) return heights[l];

        int minIndex = l;
        for (int i = l+1; i < r; i++) {
            minIndex = heights[i] < heights[minIndex] ? i : minIndex;
        }

        int max = (r - l) * heights[minIndex];
        int left = helper(heights, l, minIndex);
        int right = helper(heights, minIndex+1, r);

        max = Math.max(max, left);
        return Math.max(max, right);
    }
}

在这里插入图片描述

5. 剑指 Offer II 040. 矩阵中的最大矩形 – P106

5.1 矩阵转直方图 + 单调栈 – O(mn)（⭐）

时间复杂度 $O (mn)$ ，空间复杂度 $O (n)$

Key：要有抽象思维，将矩阵（01矩阵）抽象成直方图，求1所能构成矩形的最大面积，进而套用上一题的代码，求解直方图的最大面积。

class Solution {
    // Solution1：将矩阵转化成直方图，求直方图的最大面积
    public int maximalRectangle(String[] matrix) {
        if (matrix.length == 0) return 0;

        char[][] str = new char[matrix.length][];
        
        for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
            str[i] = matrix[i].toCharArray();
        }

        int[] heights = new int[str[0].length];
        int res = 0;
        for (char[] row : str) {
            for (int i = 0; i < row.length; i++) {
                if (row[i] == '0') {
                    heights[i] = 0;
                } else {
                    heights[i]++;
                }   
            }
            res = Math.max(res, caculateArea(heights));
        }
        return res;
    }

    public int caculateArea(int[] heights) {
        Stack<Integer> sk = new Stack<>();
        sk.push(-1);
        int max = 0;
        for (int i = 0; i < heights.length; i++) {
            while (sk.peek() != -1 && heights[sk.peek()] >= heights[i]) {
                int h = heights[sk.pop()];
                int w = i - sk.peek() - 1;
                max = Math.max(max, h * w);
            }
            sk.push(i);
        }
        while (sk.peek() != -1) {
            int h = heights[sk.pop()];
            int w = heights.length - sk.peek() - 1;
            max = Math.max(max, h * w);
        }
        return max;
    }
}