C++——stack和queue

stack的介绍和使用

stack的使用

queue的介绍和使用

queue的使用

stack的介绍和使用

在原来的数据结构中已经介绍过什么是栈了，再来回顾一下:

stack是一种容器适配器（关于什么是容器适配器之后下面会讲到），专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与删除操作。

stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。

stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类。

标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque（这个后面也会讲）。

stack的使用

函数说明 接口说明

stack(); 构造空的栈

bool empty() const; 检测stack是否为空

size_t size() const; 返回stack中元素的个数

value_type& top(); 返回栈顶元素的引用

void push(const value_type& val); 将元素val压入stack中

void pop(); 将stack中尾部的元素弹出

这些接口的使用都非常简单，也不再过多说明。

函数说明	接口说明
stack();	构造空的栈
bool empty() const;	检测stack是否为空
size_t size() const;	返回stack中元素的个数
value_type& top();	返回栈顶元素的引用
void push(const value_type& val);	将元素val压入stack中
void pop();	将stack中尾部的元素弹出

queue的介绍和使用

队列也是一种容器适配器，专门用于在FIFO上下文(first in first out 先进先出)中操作，其中从容器一端插入元素，另一端删除元素。

队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。

底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。

标准容器类deque和list满足了这些要求。默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque。

queue的使用

函数声明 接口说明

queue(); 构造空的队列

bool empty() const; 检测队列是否为空

size_t size() const; 返回队列中有效元素的个数

value_type& front(); 返回队头元素的引用

value_type& back(); 返回队尾元素的引用

void push(const value_type& val); 在队尾将元素val入队列

void pop(); 将队头元素出队列

函数声明	接口说明
queue();	构造空的队列
bool empty() const;	检测队列是否为空
size_t size() const;	返回队列中有效元素的个数
value_type& front();	返回队头元素的引用
value_type& back();	返回队尾元素的引用
void push(const value_type& val);	在队尾将元素val入队列
void pop();	将队头元素出队列

容器适配器

适配器 是一种设计模式 (设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。

虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口 进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque。

deque的介绍

deque(双端队列) ：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口不仅可以在头尾两端进行插入和删除操作，而且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：

从网上找了一张图片，**双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其"整体连续"以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，**因此deque的迭代器设计就比较复杂。

图中的cur指向当前数据，first和last表示buffer开始和结束，node反向指向中控器，方便找下一个buffer。

deque的缺陷

与vector相比 ，deque的优势是：头插和头删时，不需要搬移元素，效率高 ，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率比vector高的。
与list比较 ，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。
但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下；中间插入删除效率不高。而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list ，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。
结论：

头尾插入删除非常适合，相比于vector和list，更适合做stack和queue的默认适配器。

中间插入删除多，使用list。

随机访问多，使用vector。

priority_queue的介绍和使用

priority_queue是优先级队列

优先队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它所包含的元素中最大的。
2.
类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索最大堆元素(优先队列中位于顶部的元素)。
3.
优先队列被实现为容器适配器，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从特定容器的"尾部"弹出，其称为优先队列的顶部。
4.
底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问。

标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定的priority_queue类实例化指定容器类，则使用vector。

需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。

priority_queue的使用

优先级队列默认使用vector 作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法 将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的时候，都可以考虑使用priority_queue。注意：默认情况下priority_queue是大堆。

函数声明 接口说明

priority_queue(); 构造一个空的优先级队列

bool empty() const; 检测优先级队列是否为空

const value_type& top() const; 返回优先级队列中堆顶元素

void push(const value_type& x) 在优先级队列中插入x

void pop() 删除优先级队列中的堆顶元素
cpp 复制代码
template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<typename Container::value_type>>
class priority_queue; // 第一个模板参数是队列中的元素类型，第二个是用什么容器，第三个决定是大堆还是小堆

函数声明	接口说明
priority_queue();	构造一个空的优先级队列
bool empty() const;	检测优先级队列是否为空
const value_type& top() const;	返回优先级队列中堆顶元素
void push(const value_type& x)	在优先级队列中插入x
void pop()	删除优先级队列中的堆顶元素

仿函数

仿函数，有点地方也叫做函数对象，这其实就是一个类，这个类重载了一个operator()。

cpp 复制代码

class less
{
    operator()(const int& l, const int& r)
    {
    public:
        return l < r;
    }
};

int main()
{
    less fun; // 这里的fun并不是一个函数，而是一个类对象，可以像函数一样使用
    fun(1, 2); // 它的本质是在调用fun.opeartor()(1, 2)，所以这里返回值应该是1
    
    return 0;
}

cpp 复制代码

// 所以这样好用的不该拘泥于整型，可以改成模板
template<class T>
class less
{
    operator()(const T& l, const T& r) const
    {
    public:
        return l < r;
    }
};

// 既然有小于，就有大于
template<class T>
class greater
{
    operator()(const T& l, const T& r) const
    {
    public:
        return l > r;
    }
};

int main()
{
    less<int> fun1;
    fun1(1, 2);

    greater<int> func2;
    func2(2, 1);

    return 0;
}

cpp 复制代码

int main()
{
    // 使用优先级队列，显示传第三个模板参数就是这样的，默然就是大堆，想要建小堆就改成greater<int>
    priority_queue<int, vector<int>, less<int>> pq;

    // 当然要注意的是，这里传入的是类型，相比于sort函数，传入的是对象，这就可以使用匿名对象
    vector<int> v(5, 5);
    sort(v.begin(), v.end(), less<int>()); // sort默认排的升序，想要降序就传入greater<int>()
    return 0;
}

反向迭代器

前面讲到了正向迭代器的使用，那也要说一下反向迭代器的实现，反向迭代器是一种反向遍历容器的迭代器。也就是，从最后一个元素到第一个元素遍历容器。反向迭代器将自增(和自减)的含义反过来了：对于反向迭代器，++运算将访问前一个元素，而 - -运算则访问下一个元素。
cpp 复制代码
// 复用，迭代器适配器
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
struct __reverse_iterator
{
    iterator _cur; // 使用正向迭代器构造一个反向迭代器
    typedef __reverse_iterator<Iterator> RIterator;

    __reverse_iterator(Iterator it)
        :_cur(it)
    {}

    RIterator operator++() // 注意这里只有前置++和--，后置是差不多的
    {
        --_cur;
        return *this;
    }

    RIterator operator--()
    {
        ++ _cur;
        return *this;
    }

    Ref operator*() // 返回引用类型
    {
        auto tmp = _cur;
        --tmp;
        return *tmp;
        // 这里这么写的原因是，begin返回第一个位置的迭代器，end返回最后一个位置的迭代器
        // rbegin返回最后一个位置的迭代器，rend返回第一个位置前一个的迭代器
        // 写的时候可以复用begin和end，rbegin返回end位置，rend返回begin位置
        // 这里的cur就是构造的反向迭代器，先--后就是正确的位置
    }

    Ptr opeartor->() // 返回指针
    {
        // return _cur.operator->();
        return &(operator*());
    }

    bool operator!=(const RIterator& it)
    {
        return _cur != it._cur;
    }
};
这样可以适配生成某些容器的反向迭代器，有些容器比较特殊，所以不支持，比如单链表forward_list，它只支持++并不支持- -；unordered_map和unordered_set也是不支持的，这就要到后面再说了。

从某些功能的角度分析，迭代器也可以分成几类：

forward_iterator，它只支持++，因为它是单向的。容器有：unordered_map，unordered_set，forward_list。

bidirectional_iterator，它支持++和- -，它是双向的。容器有：list，map，set。

random_access_iterator，它不仅支持++和- -，还支持+和-，他是随机的。容器有：deque，vector。

这里的迭代器从下到上是一种继承关系，关于什么是继承后面也会讲。简单理解一下，随机迭代器也是双向的，拿sort函数和reverse函数举例，sort函数接口的参数类型就是随机迭代器的，reverse函数接口就是双向的，但是可以用随机类型的容器调用reverse这个函数；相对的，双向类型的容器就不能调用sort这个函数。vector可以调用reverse函数，list不能调用sort函数（algorithm库中的）。