C++ STL——栈和队列（stack & queue）

小白苦学IT2023-12-22 19:48

本节目标

1.stack的介绍和使用及其模拟实现

2.queue的介绍和使用及其模拟实现

3.priority_queue的介绍和使用及其模拟实现

4.容器适配器

1.stack的介绍和使用及其模拟实现

1.1 stack的介绍

stack的文档介绍

根据stack的文档介绍可以知道，stack是一种容器适配器，专门设计用于在后进先出上下文（后进先出）中运行，其中元素仅从容器的一端插入和提取。

stack作为容器适配器实现，容器适配器 是使用特定容器类的封装对象作为其底层容器 的类，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*"背面"* 推出 /弹出 ，这被称为stack的顶部(即栈顶) 。

stack的底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是一些其他专门设计的容器类。容器应支持以下操作：

  • empty
  • back
  • push_back
  • pop_back

标准容器类 vector、deque、 list ，均满足这些要求。默认情况下，如果未为特定类实例化指定容器类，则使用标准容器deque作为底层容器。

1.2 stack的使用

以上是stack的成员函数，用蓝色框框框起来的几个成员函数接口是需要重点掌握的

简单说明：

1.stack()是构造一个空的stack

2.empty()是用于判断stack是否为空

3.size()是用来返回stack中元素的个数

4.top()适用于返回栈顶元素的引用

5.push()将元素压入stack中

6.pop()将stack中尾部的元素弹出

下面对这几个接口进行使用，以下是简单的测试代码：

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;

void test_stack1()
{
	stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);

	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() <<" ";
		st.pop();
	}
}

int main()
{
	test_stack1();
	return 0;
}

运行结果如下：

当然也不一定是入1，2，3，4出的序列就一定是4,3,2,1。也可以边入边出

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;

void test_stack1()
{
	stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	cout << st.top() << " ";
	st.pop();
	st.push(3);
	st.push(4);

	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() <<" ";
		st.pop();
	}
}

int main()
{
	test_stack1();
	return 0;
}

运行结果如下：

学会了如何使用之后我们可以对该oj题进行挑战

用两个栈实现队列

OJ题参考：

cpp 复制代码 
class MyQueue {
public:
    MyQueue() {
        
    }
    
    void push(int x) {
        st1.push(x);
    }
    
    int pop() {
        if(st2.empty())
        {
             while(!st1.empty())
            {
                st2.push(st1.top());
                st1.pop();
            }
        }

        int top = st2.top();
        st2.pop();
        return top;
    }
    
    int peek() {
        if(st2.empty())
        {
              while(!st1.empty())
            {
                st2.push(st1.top());
                st1.pop();
            }
        }
        return st2.top();
    }
    
    bool empty() {
        return st1.empty()&&st2.empty();
    }

private:
    stack<int> st1;//用来实现从队尾入队列
    stack<int> st2;//用来实现从队头出队列
};

最小栈

参考实现：

思路是用两个栈来实现，一个用来放栈中的数据，一个用来存放该栈数据中的最小值，如果初始时st为空，那么push的就是目前栈中的最小值，然后把这个最小值在Minst这个栈中push进去，如果st中push的值小于Minst目前的最小值则要继续push,如果与最小值相等，为了pop之后不受影响，则也要在Minst中继续push该相等的最小值，这样就能实现一直能够获取栈中的最小值了。

cpp 复制代码 
class MinStack {
public:
    MinStack() {

    }
    
    void push(int val) {
      if(st.empty()||Minst.top()>=val)
      {
        Minst.push(val);
      }
      st.push(val);

    }
    
    void pop() {
      if(st.top()==Minst.top())
      {
        Minst.pop();
      }

      st.pop();
    }
    
    int top() {
        return st.top();
    }
    
    int getMin() {
      return Minst.top();
    }

    stack<int> st;
    stack<int> Minst;
};

栈的压入弹出序列

解题思路：

代码参考实现：

cpp 复制代码 
class Solution {
  public:
    /**
     * 代码中的类名、方法名、参数名已经指定，请勿修改，直接返回方法规定的值即可
     *
     *
     * @param pushV int整型vector
     * @param popV int整型vector
     * @return bool布尔型
     */
    bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {
        // write code here

    stack<int> st;
    int pushi= 0,popi = 0;
    while(pushi<pushV.size())
    {
        st.push(pushV[pushi]);
        while(!st.empty()&&st.top()==popV[popi])
        {
            st.pop();
            popi++;
        }
        pushi++;
    }

    return st.empty();
    }
};

1.3stack的模拟实现

cpp 复制代码 
#include<deque>
namespace mystack
{
    template<class T, class Container=deque<T>>
    class stack
    {
    public:

        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }

        void pop()
        {
            _con.pop_back();
        }

        const T& top()
        {
            return _con.back();
        }

        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }

        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }

    private:
        Container _con;
    };
}

模拟实现功能测试代码：

cpp 复制代码 
void test_stack2()
{
	mystack::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);

	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
}

运行结果截图：

2.queue的介绍和使用及其模拟实现

2.1 queue的介绍

queue的文档介绍

根据queue的文档介绍可以知道,

队列 是一种容器适配器，专门设计用于在 FIFO 上下文（先进先出）中运行，其中元素插入容器的一端并从另一端提取。

队列 作为容器适配器实现，容器适配器 是使用特定容器类的封装对象作为其基础容器 的类，提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素被推入 特定容器的"背面 "(即队尾)，并从其*"正面"(即队头)* 弹出 。

基础容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他一些专门设计的容器类。此基础容器应至少支持以下操作：

  • empty
  • size
  • front
  • back
  • push_back
  • pop_front

标准容器类，并满足这些要求。默认情况下，如果未为特定类实例化指定容器类，则使用标准容器。dequelist queuedeque

2.2 queue的使用

以上是queue的成员函数接口，下面对这几个接口进行简单介绍:

1.queue()是构造一个空的queue

2.empty()是用于判断queue是否为空,是的话返回true,否则返回false.

3.size()是用来返回queue中元素的个数

4.top()适用于返回队头元素的引用

5.push()在队尾将元素入队列

6.pop()将队头元素出队列

下面我们对这些成员函数接口进行使用

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;


void test_queue1()
{
	queue<int> q;
	
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);

	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
}

int main()
{
	test_queue1();
	return 0;
}

运行结果如下：

熟悉了这些使用之后我们可以挑战一些该oj题目:

用队列实现栈

2.3 queue的模拟实现

cpp 复制代码 
namespace myqueue
{
    template<class T,class Container=deque<T>>
    class queue
    {
    public:
        void push(const T& x)
        { 
            _con.push_back(x);
        }

        void pop()
        {
            _con.pop_front();
        }

        const T& front()
        {
            return _con.front();
        }

        const T& back()
        {
            return _con.back();
        }

        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }

        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }

    private:
        Container _con;
    };
}

代码测试：

cpp 复制代码 
void test_queue2()
{
	myqueue::queue<int> q;
	q.push(4);
	q.push(3);
	q.push(1);
	q.push(0);
	q.push(2);
	q.push(5);

	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
	cout << endl;
}

运行结果：

3. priority_queue的介绍和使用及其模拟实现

3.1 priority_queue的介绍

priority_queue的文档介绍

  1. 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. 此上下文类似于堆，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)。

  1. 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。

  1. 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，并支持以下操作：

empty()：检测容器是否为空

size()：返回容器中有效元素个数

front()：返回容器中第一个元素的引用

push_back()：在容器尾部插入元素

pop_back()： 删除容器尾部元素

  1. 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。

  1. 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。

3.2 priority_queue的使用

以上是priority_queue的成员函数接口，下面对常用的接口进行简单说明

priority_queue()/priority_queue(first,last) 构造一个空的优先级队列

empty( ) 检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false

top( ) 返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素

push(x) 在优先级队列中插入元素x

pop() 删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

cpp 复制代码 
void test_mypriority_queue()
{
	mypriority_queue::priority_queue<int> pq;
	pq.push(4);
	pq.push(3);
	pq.push(1);
	pq.push(0);
	pq.push(2);
	pq.push(5);

	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << " ";
		pq.pop();
	}
	cout << endl;
}

运行结果如下：

在OJ中的使用：

数组中第K个大的元素

3.3 priority_queue的模拟实现

cpp 复制代码 
#pragma once

#include <iostream>
using namespace std;

#include <vector>
// priority_queue--->堆
namespace mypriority_queue
{
	template<class T>
	struct less
	{
		bool operator()(const T& left, const T& right)
		{
			return left < right;
		}
	};

	template<class T>
	struct greater
	{
		bool operator()(const T& left, const T& right)
		{
			return left > right;
		}
	};

	template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		// 创造空的优先级队列
		priority_queue() : c() {}

		template<class Iterator>
		priority_queue(Iterator first, Iterator last)
			: c(first, last)
		{
			// 将c中的元素调整成堆的结构
			int count = c.size();
			int root = ((count - 2) >> 1);
			for (; root >= 0; root--)
				AdjustDown(root);
		}

		void push(const T& data)
		{
			c.push_back(data);
			AdjustUP(c.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			if (empty())
				return;

			swap(c.front(), c.back());
			c.pop_back();
			AdjustDown(0);
		}

		size_t size()const
		{
			return c.size();
		}

		bool empty()const
		{
			return c.empty();
		}

		// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性
		const T& top()const
		{
			return c.front();
		}
	private:
		// 向上调整
		void AdjustUP(int child)
		{
			int parent = ((child - 1) >> 1);
			while (child)
			{
				if (Compare()(c[parent], c[child]))
				{
					swap(c[child], c[parent]);
					child = parent;
					parent = ((child - 1) >> 1);
				}
				else
				{
					return;
				}
			}
		}

		// 向下调整
		void AdjustDown(int parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < c.size())
			{
				// 找以parent为根的较大的孩子
				if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))
					child += 1;

				// 检测双亲是否满足情况
				if (Compare()(c[parent], c[child]))
				{
					swap(c[child], c[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
					return;
			}
		}
	private:
		Container c;
	};
}

void TestQueuePriority()
{
	mypriority_queue::priority_queue<int> q1;
	q1.push(5);
	q1.push(1);
	q1.push(4);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	q1.push(6);
	cout << q1.top() << endl;

	q1.pop();
	q1.pop();
	cout << q1.top() << endl;

	vector<int> v{ 5,1,4,2,3,6 };
	mypriority_queue::priority_queue<int, vector<int>, mypriority_queue::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;

	q2.pop();
	q2.pop();
	cout << q2.top() << endl;
}

4.容器适配器

4.1什么是容器适配器？

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。

4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

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，比如：

4.3deque的简单介绍

deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，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。

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。

deque的缺陷

与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必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，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

4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

  1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。

  2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。

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