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using System;
using System.Collections.Generic;
namespace Solutions
{
public static class StackQueue
{
#region Question 3.1
/*
* 하나의 배열을 사용해 세 개의 스택을 구현하는 방법을 설명하라.
*/
#region Helper Class
/// <summary>
/// 스택에 저장되는 실제 데이터를 보관한다.
/// </summary>
class StackData
{
/// <summary>
/// 전체 스택에서 내부 스택이 시작하는 위치
/// </summary>
public int Start { get; set; }
/// <summary>
/// 내부 스택 안에서 현재 위치
/// </summary>
public int Pointer { get; set; }
/// <summary>
/// 내부 스택에 저장된 데이터 크기
/// </summary>
public int Size { get; set; }
/// <summary>
/// 내부 스택이 허용할 수 있는 데이터 크기
/// </summary>
public int Capacity { get; set; }
/// <summary>
/// 내부 스택에 대한 메타데이터 초기화
/// </summary>
/// <param name="start">전체 스택에서 내부 스택의 시작 위치</param>
/// <param name="capacity">내부 스택이 허용할 수 있는 데이터 크기</param>
public StackData(int start, int capacity)
{
this.Start = start;
this.Pointer = start - 1;
this.Size = 0;
this.Capacity = capacity;
}
/// <summary>
/// <paramref name="index"/>가 내부 스택에 존재하는지를 체크한다.
/// </summary>
/// <param name="index">내부 스택에 존재하는지를 체크하는 기준 위치</param>
/// <param name="totalSize">내부 스택이 가질 수 있는 최대 크기</param>
/// <returns>내부 스택에 존재한다면 <code>true</code>를 반환</returns>
public bool IsWithinStack(int index, int totalSize)
{
// 내부 스택 안에 있는지 확인
if (Start <= index && index < Start + Capacity)
{
return true;
}
// 만약 내부 스택의 데이터가 전체 스택에 넘쳐서 데이터가 저장되었을 경우, 전체 스택 처음에 위치하는지 확인
else if (Start + Capacity > totalSize && index < (Start + Capacity) % totalSize)
{
return true;
}
// 만약 내부 스택에도 없고 넘쳐서도 존재하지 않는다면,
// 즉 내부 스택이 허용할 수 있는 크기를 넘어서 존재한다면,
return false;
}
}
#endregion
public class ThreeStacksInStack
{
#region Properties
/// <summary>
/// 내부 스택 개수
/// </summary>
public const int NumberOfStacks = 3;
/// <summary>
/// 내부 스택 기본 크기
/// </summary>
const int DefaultSize = 4;
/// <summary>
/// 전체 스택 크기
/// </summary>
const int TotalSize = DefaultSize * NumberOfStacks;
/// <summary>
/// 내부 스택 메타데이터
/// </summary>
readonly StackData[] _stacks =
{
new StackData(0, DefaultSize),
new StackData(DefaultSize, DefaultSize),
new StackData(DefaultSize * 2, DefaultSize)
};
/// <summary>
/// 전체 스택
/// </summary>
readonly int[] _buffer = new int[TotalSize];
#endregion
#region Methods
/// <summary>
/// 내부 스택에 저장된 데이터 개수를 전부 더한 개수를 계산한다.
/// </summary>
/// <returns>전체 데이터 개수</returns>
private int NumberOfElements()
{
return _stacks[0].Size + _stacks[1].Size + _stacks[2].Size;
}
/// <summary>
/// 전체 스택에서 <paramref name="index"/> 다음 데이터를 반환한다.
/// </summary>
/// <param name="index">찾을 다음 데이터의 기준 위치</param>
/// <returns><paramref name="index"/> 다음 데이터</returns>
private int NextElement(int index)
{
if (index + 1 == TotalSize)
{
return 0;
}
else
{
return index + 1;
}
}
/// <summary>
/// 전체 스택에서 <paramref name="index"/> 이전 데이터를 반환한다.
/// </summary>
/// <param name="index">찾을 이전 데이터의 기준 위치</param>
/// <returns><paramref name="index"/> 이전 데이터</returns>
private int PreviousElement(int index)
{
if (index == 0)
{
return TotalSize - 1;
}
else
{
return index - 1;
}
}
/// <summary>
/// <paramref name="stackNum"/> 번째 내부 스택의 모든 데이터를 전체 스택에서 오른쪽으로 1칸 이동한다.
/// </summary>
/// <param name="stackNum">내부 스택 번호</param>
public void Shift(int stackNum)
{
var stack = _stacks[stackNum];
// 내부 스택의 최대 크기가 부족하다면 증가시킨다.
if (stack.Size >= stack.Capacity)
{
var nextStack = (stackNum + 1) % NumberOfStacks;
Shift(nextStack); // 다음 내부 스택을 오른쪽으로 한칸 움직여서 공간을 확보한다.
stack.Capacity++; // 내부 스택의 최대 크기를 일시적으로 증가시킨다.
}
for (var i = (stack.Start + stack.Capacity - 1) % TotalSize; // 배열의 끝
stack.IsWithinStack(i, TotalSize);
i = PreviousElement(i))
{
// 역순으로 (내부 스택의 끝에서 처음까지) 데이터를 오른쪽으로 한칸씩 이동시킨다.
// 역순으로 이동해야 데이터의 손실없이 이동시킬 수 있다.
_buffer[i] = _buffer[PreviousElement(i)];
}
_buffer[stack.Start] = 0; // 내부 스택의 시작 위치 데이터를 초기화한다.
stack.Start = NextElement(stack.Start); // 내부 스택의 시작 위치를 한칸 오른쪽으로 이동한다.
stack.Pointer = NextElement(stack.Pointer); // 내부 스택이 가르키고 있는 현재 위치를 한칸 오른쪽으로 이동한다.
stack.Capacity--; // 내부 스택의 최대 크기를 원래대로 복구한다.
}
/// <summary>
/// <paramref name="stackNum"/>번째 내부 스택의 최대크기를 하나 증가시킨다.
/// </summary>
/// <param name="stackNum">내부 스택 번호</param>
public void Expand(int stackNum)
{
//내부 스택의 용량을 늘리기 전에 다음 스택을 한칸 이동시켜 공간을 확보한다.
Shift((stackNum + 1) % NumberOfStacks);
_stacks[stackNum].Capacity++;
}
/// <summary>
/// <paramref name="stackNum"/> 번째 내부 스택에 <paramref name="value"/> 데이터를 저장한다.
/// </summary>
/// <param name="stackNum">내부 스택 번호</param>
/// <param name="value">저장할 데이터</param>
public void Push(int stackNum, int value)
{
var stack = _stacks[stackNum];
/* 전체 스택에 남은 공간이 있는지 확인 */
if (stack.Size >= stack.Capacity)
{
if (NumberOfElements() >= TotalSize)
{ // 전체 스택에 공간이 없을 때
throw new Exception("Out of space.");
}
else
{ // 전체 스택을 한칸 움직여 내부 스택 공간을 확보한다.
Expand(stackNum);
}
}
// 내부 스택 크기 증가
stack.Size++;
// 내부 스택 포인터 이동
stack.Pointer = NextElement(stack.Pointer);
// 내부 스택에 데이터 저장
_buffer[stack.Pointer] = value;
}
/// <summary>
/// <paramref name="stackNum"/> 번째 내부 스택에서 데이터를 꺼낸다.
/// </summary>
/// <param name="stackNum">내부 스택 번호</param>
/// <returns><paramref name="stackNum"/>에 마지막으로 저장된 데이터</returns>
public int Pop(int stackNum)
{
var stack = _stacks[stackNum];
// 저장된 데이터가 없을 때
if (stack.Size == 0)
{
throw new Exception("Trying to pop an empty stack.");
}
// 데이터를 추출
var value = _buffer[stack.Pointer];
// 데이터를 0으로 초기화
_buffer[stack.Pointer] = 0;
// 내부 스택 포인터 변경
stack.Pointer = PreviousElement(stack.Pointer);
// 내부 스택 크기 감소
stack.Size--;
// 추출된 데이터를 반환
return value;
}
/// <summary>
/// <paramref name="stackNum"/> 번째 내부 스택에 마지막으로 저장된 데이터를 반환한다.
/// </summary>
/// <param name="stackNum">내부 스택 번호</param>
/// <returns><paramref name="stackNum"/> 번째 내부 스택에 마지막으로 저장된 데이터</returns>
public int Peek(int stackNum)
{
var stack = _stacks[stackNum];
return _buffer[stack.Pointer];
}
/// <summary>
/// <paramref name="stackNum"/> 번째 내부 스택이 비었는지 확인한다.
/// </summary>
/// <param name="stackNum">내부 스택 번호</param>
/// <returns>스택이 비었을 때는 <code>true</code>를 반환</returns>
public bool IsEmpty(int stackNum)
{
var stack = _stacks[stackNum];
return stack.Size == 0;
}
#endregion
}
#endregion
#region Question 3.2
/*
* push와 pop의 두가지 연산뿐 아니라, 최솟값을 갖는 원소를 반환하는 min 연산을 갖춘 스택은 어떻게 구현할 수 있겠는가?
*/
public class StackWithMin
{
/// <summary>
/// 데이터를 저장하는 스택
/// </summary>
private Stack<int> dataStack;
/// <summary>
/// 최솟값을 저장하는 스택
/// </summary>
private Stack<int> minStack;
/// <summary>
/// 스택 최솟값
/// </summary>
public int Min
{
get
{
try
{
return minStack.Peek();
}
catch (InvalidOperationException)
{
return int.MaxValue;
}
}
}
/// <summary>
/// 클래스 초기화
/// </summary>
public StackWithMin()
{
this.minStack = new Stack<int>();
this.dataStack = new Stack<int>();
}
/// <summary>
/// 입력된 <paramref name="value"/> 데이터를 저장한다.
/// </summary>
/// <param name="value">저장할 데이터</param>
public void Push(int value)
{
// 새로 입력된 데이터가 현재 최솟값보다 작은지 확인한다.
if (value <= Min)
{
this.minStack.Push(value);
}
this.dataStack.Push(value);
}
/// <summary>
/// 스택에서 마지막으로 저장된 데이터를 반환한다.
/// </summary>
/// <returns>스택 최상단 데이터</returns>
public int Pop()
{
try
{
var value = this.dataStack.Pop();
// 만약 최솟값과 반환할 데이터가 같을 경우, 이전 최솟값으로 변경한다.
if (value == Min)
{
this.minStack.Pop();
}
return value;
}
catch (InvalidOperationException)
{
throw new Exception("Stack is empty.");
}
}
}
#endregion
#region Question 3.3
/*
* SetOfStacks는 여러 스택으로 구성되며, 이전 스택이 지정된 용량을 초과하는 경우 새로운 스택을 생성해야 한다.
* Push()와 Pop()은 스택이 하나인 경우와 동일하게 동작해야 한다.
* (특정한 하위 스택에 대해서 Pop()을 수행하는 PopAt(int index) 함수를 구현하라.)
*/
/// <summary>
/// 저장할 수 있는 데이터 개수에 제한이 있는 스택이다.ㄴ
/// </summary>
/// <typeparam name="T">데이터 타입</typeparam>
public class LimitedStack<T>
{
/// <summary>
/// 스택에 저장된 데이터
/// </summary>
private LinkedList<T> data;
/// <summary>
/// 스택에 저장가능한 개수
/// </summary>
private int capacity;
/// <summary>
/// 저장된 데이터 총량
/// </summary>
public int Count
{
get { return data.Count; }
}
/// <summary>
/// 저장할 수 있는 최대개수를 지정하고 인스턴스 생성한다.
/// </summary>
/// <param name="capacity">저장가능한 개수</param>
public LimitedStack(int capacity)
{
this.data = new LinkedList<T>();
this.capacity = capacity;
}
/// <summary>
/// 스택에 데이터를 저장한다.
/// </summary>
/// <param name="value">저장할 데이터</param>
public void Push(T value)
{
if(data.Count >= capacity)
{
throw new InvalidOperationException("Stack is full.");
}
data.AddLast(new LinkedListNode<T>(value));
}
/// <summary>
/// 스택에서 데이터 꺼낸다.
/// </summary>
/// <returns>마지막으로 저장된 스택 데이터</returns>
public T Pop()
{
if(this.IsEmpty())
{
throw new InvalidOperationException("Stack is empty.");
}
var value = data.Last.Value;
data.RemoveLast();
return value;
}
public bool IsEmpty()
{
if(data.Last == null || data.First == null)
{
return true;
}
return false;
}
/// <summary>
/// 일반적인 스택과 달리, 큐처럼 제일 오래된 데이터를 꺼낸다.
/// </summary>
/// <returns>스택에서 제일 오래된 데이터</returns>
public T PopBottom()
{
if (this.IsEmpty())
{
throw new InvalidOperationException("Stack is empty.");
}
var value = data.First.Value;
data.RemoveFirst();
return value;
}
}
/// <summary>
/// 데이터 총량이 제한된 스택에 나누어 데이터를 저장하는 스택이다.
/// </summary>
/// <typeparam name="T">스택에 저장될 데이터 타입</typeparam>
public class SetOfStacks<T>
{
private List<LimitedStack<T>> stacks = new List<LimitedStack<T>>();
/// <summary>
/// 각 제한된 스택에 가질 수 있는 데이터 총량
/// </summary>
public int Capacity { get; }
public SetOfStacks(int capacity)
{
this.Capacity = capacity;
}
public LimitedStack<T> GetLastStack()
{
if(this.stacks.Count == 0)
{
return null;
}
else
{
return stacks[this.stacks.Count - 1];
}
}
public void Push(T value)
{
var last = GetLastStack();
try
{
last.Push(value);
}
catch (Exception)
{
var stack = new LimitedStack<T>(Capacity);
stack.Push(value);
this.stacks.Add(stack);
}
}
public T Pop()
{
var last = GetLastStack();
var value = last.Pop();
if(last.Count == 0)
{
this.stacks.Remove(last);
}
return value;
}
/// <summary>
/// 특정 스택에서 최근 데이터를 꺼낸다.
/// </summary>
/// <param name="index">특정 스택 번호</param>
/// <returns>특정 스택에서 꺼낸 데이터</returns>
public T PopAt(int index)
{
if(index < 0 || index >= stacks.Count)
{
throw new InvalidOperationException("There is no stack at " + index);
}
var value = this.stacks[index].Pop();
if (this.stacks[index].IsEmpty())
{
this.stacks.RemoveAt(index);
}
else
{
while ((++index) < stacks.Count)
{
this.stacks[index - 1].Push(this.stacks[index].PopBottom());
}
}
return value;
}
}
#endregion
#region Question 3.4
/*
* 스택을 사용하여 하노이탑 문제를 해결하라.
* (첫번째 탑에 있는 모든 원판을 마지막 탑으로 옮기는 프로그램을 작성하라.)
*/
public class HanoiTower
{
/// <summary>
/// 하노이 원판
/// </summary>
public class Disk : IComparable<Disk>
{
public int Size { get; }
public Disk(int size)
{
this.Size = size;
}
public int CompareTo(Disk other)
{
return this.Size - other.Size;
}
#region Method Overloading
// 원판끼리 자연스럽게 크기를 비교할 수 있도록 한다.
public static bool operator >(Disk b1, Disk b2)
{
return (b1.CompareTo(b2) > 0);
}
public static bool operator <(Disk b1, Disk b2)
{
return (b1.CompareTo(b2) < 0);
}
#endregion
}
/// <summary>
/// 하노이 기둥
/// </summary>
public class Tower
{
/// <summary>
/// 하노이 기둥에 꽃힌 원판들
/// </summary>
private Stack<Disk> disks;
public int Count
{
get { return this.disks.Count; }
}
public Tower()
{
this.disks = new Stack<Disk>();
}
public void Push(Disk disk)
{
if(this.disks.Count > 0 && this.disks.Peek() < disk)
{
throw new Exception("Logial Error!");
}
this.disks.Push(disk);
}
public Disk Pop()
{
try
{
return this.disks.Pop();
}
catch (InvalidOperationException)
{
return null;
}
}
public bool IsEmpty()
{
return this.disks.Count == 0;
}
}
public enum TowerLabel { Origin, Buffer, Destination };
/// <summary>
/// 하노이 게임에서 사용될 기둥들
/// </summary>
public IDictionary<TowerLabel, Tower> Towers { get; }
public HanoiTower(Tower origin, Tower buffer, Tower destination)
{
this.Towers = new Dictionary<TowerLabel, Tower>
{
{ TowerLabel.Origin, origin },
{ TowerLabel.Buffer, buffer },
{ TowerLabel.Destination, destination }
};
}
/// <summary>
/// 하노이 게임을 해결한다.
/// </summary>
public void Solve()
{
this.MoveDisk(this.Towers[TowerLabel.Origin].Count, TowerLabel.Origin, TowerLabel.Buffer, TowerLabel.Destination);
}
private void MoveDisk(int count, TowerLabel start, TowerLabel buffer, TowerLabel finish)
{
if (count == 0) return;
MoveDisk(count - 1, start, finish, buffer);
this.Towers[finish].Push(this.Towers[start].Pop());
MoveDisk(count - 1, buffer, start, finish);
}
}
#endregion
#region Question 3.5
/*
* 두 개의 스택을 사용하여 큐를 구현하는 MyQueue 클래스를 작성해보라.
*/
/// <summary>
/// 두 개의 스택으로 구현한 큐 자료구조
/// </summary>
/// <typeparam name="T">저장할 데이터 타입</typeparam>
public class MyQueue<T>
{
private readonly Stack<T> stackEnqueue;
private readonly Stack<T> stackDequeue;
public MyQueue()
{
stackEnqueue = new Stack<T>();
stackDequeue = new Stack<T>();
}
public int Size()
{
return stackEnqueue.Count + stackDequeue.Count;
}
public void Enqueue(T value)
{
stackEnqueue.Push(value);
}
private void SwitchStack()
{
// 꺼낼 스택이 비어있을 때만 스택 데이터를 옮긴다.
if (stackDequeue.Count == 0)
{
while (stackEnqueue.Count != 0)
{
stackDequeue.Push(stackEnqueue.Pop());
}
}
}
public T Peek()
{
SwitchStack();
return stackDequeue.Peek();
}
public T Dequeue()
{
SwitchStack();
return stackDequeue.Pop();
}
}
#endregion
#region Question 3.6
/*
* 큰 값이 위로 오도록 스택을 오름차순 정렬하는 프로그램을 작성하라.
* 여벌 스택은 하나까지만 사용할 수 있고, 스택에 보관된 요소를 배열 등의 다른 자료구조로는 복사할 수 없다.
* 스택은 push, pop, peek, isEmpty의 네 가지 연산을 제공한다.
*/
public static Stack<int> Q6_Sort(Stack<int> stack)
{
var sortedStack = new Stack<int>();
while(stack.Count != 0)
{
var t = stack.Pop();
while (sortedStack.Count != 0 && sortedStack.Peek() > t)
{
stack.Push(sortedStack.Pop());
}
sortedStack.Push(t);
}
return sortedStack;
}
#endregion
#region Question 3.7
/*
* 먼저 들어온 동물이 먼저 나가는 동물쉼터가 있다고 하자. 쉼터는 개와 고양이만 수용할 수 있다.
* 사람들은 쉼터의 동물들 가운데 들어온 지 가장 오래된 동물부터 입양할 수 있는데, 개와 고양이 중,
* 어떤 동물을 데려갈지 선택할 수도 있다. 특정한 동물을 지정해 데려가는 것은 금지되어 있다.
* (enqueue, dequeueAny, dequeueDog, dequeueCat의 연산을 제공해야 한다.)
*/
public class AnimalShelter
{
public abstract class Animal : IComparable<Animal>
{
public DateTime Time { get; }
public string Name { get; }
protected Animal(string name, DateTime time)
{
this.Name = name;
this.Time = time;
}
public int CompareTo(Animal other)
{
return this.Time.CompareTo(other.Time);
}
#region Method Overloading
public static bool operator >(Animal b1, Animal b2)
{
return (b1.CompareTo(b2) > 0);
}
public static bool operator <(Animal b1, Animal b2)
{
return (b1.CompareTo(b2) < 0);
}
#endregion
}
public class Cat : Animal
{
public Cat(string name, DateTime time) : base(name, time)
{
}
}
public class Dog : Animal
{
public Dog(string name, DateTime time) : base(name, time)
{
}
}
private Queue<Dog> dogs;
private Queue<Cat> cats;
public AnimalShelter()
{
this.dogs = new Queue<Dog>();
this.cats = new Queue<Cat>();
}
public void Enqueue(Animal animal)
{
switch (animal)
{
case Dog d:
this.dogs.Enqueue(animal as Dog);
break;
case Cat c:
this.cats.Enqueue(animal as Cat);
break;
}
}
public Animal DequeueAny()
{
if(dogs.Count == 0)
{
return this.DequeueCat();
}
if(cats.Count == 0)
{
return this.DequeueDog();
}
if(dogs.Peek() < cats.Peek())
{
return this.DequeueDog();
}
else
{
return this.DequeueCat();
}
}
public Animal DequeueCat()
{
try
{
return this.cats.Dequeue();
}
catch (InvalidOperationException)
{
return null;
}
}
public Animal DequeueDog()
{
try
{
return this.dogs.Dequeue();
}
catch (InvalidOperationException)
{
return null;
}
}
}
#endregion
}
}