C++初阶：容器适配器stack与queue

执笔者5482024-03-26 15:26

目录

  • [1. stack与queue的使用练习](#1. stack与queue的使用练习)
    • [1.1 stack的常用接口（栈）](#1.1 stack的常用接口（栈）)
    • [1.2 queue常用接口（队列）](#1.2 queue常用接口（队列）)
    • [1.3 priority_queue的常用接口（堆）](#1.3 priority_queue的常用接口（堆）)
  • [2. 容器适配器](#2. 容器适配器)
    • [2.1 栈的实现](#2.1 栈的实现)
    • [2.2 队列的实现](#2.2 队列的实现)
    • [3. 堆（priority_queue）的实现](#3. 堆（priority_queue）的实现)

1. stack与queue的使用练习

1.1 stack的常用接口（栈）

  1. push（尾插）
  2. pop（尾删）
  3. top（取栈顶）
  4. empty（判空）
  5. size（栈的长度）

1. 最小栈

  1. 题目信息：
  2. 题目链接：
    最小栈
  3. 一个栈存数据，一个栈存最小值
    <1> 每次插入一个数据都进行判断，并将当前栈的最小值插入
    <2> 优化1：当插入数据大于当前最小值时不插入，删除数据栈中数据时，调整最小栈当删除值等于当前最小值再删除
    <3> 优化2：最小栈中存复合类型数据，最小值与最小值的计数
cpp 复制代码 
class MinStack 
{
public:
    //会调用成员变量的默认构造
    MinStack() 
    {}
    
    void push(int val) 
    {
        if(minst.empty() || val <= minst.top())
        {
            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;
};

2. 栈的弹出压入序列

  1. 题目信息：
  2. 题目链接：
    栈的弹出压入序列
  3. 思路：创建一个栈来模拟弹出插入过程
cpp 复制代码 
class Solution 
{
public:
    bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) 
    {
        //用栈模拟
        //先入栈，再判断
        //1.栈中数据与出栈序列相同，出栈，出栈序列++（循环进行）
        //2. 不同，接着入栈
        //入栈序列结束后，出栈序列遍历完，没遍历完
        stack<int> st;
        int pushi = 0;
        int popi = 0;
        while(pushi < pushV.size())
        {
            st.push(pushV[pushi]);
            pushi++;
			
			//注意判断条件与越界可能
            while(!st.empty() && popV[popi] == st.top())
            {
                st.pop();
                popi++;
            }
        }

        if(popi == popV.size())
        {
            return true;
        }

        return false;
    }
};

3. 逆波兰表达式求值

  1. 逆波兰表达式，即后缀表达式，表示方式为运算符在运算数之后。
  2. 中缀表达式转后缀表达式的方法：
    遍历中缀表达式，创建一个栈存储运算符
    <1> 当遍历到运算数时，直接将运算数输出
    <2> 当遍历到运算符时：
    一，若栈为空将运算符直接入栈
    二，若栈不为空，当前运算符优先级高于栈顶运算符，将此运算符入栈；若当前运算符优先级低于栈顶运算符，将栈顶运算符输出。
  3. 当运算表达式中存在括号时，我们遇到括号就进行递归，再开一个栈
  4. switch...case...语句只能使用整形家族的数据做参数，atoi（字符串转int），atod（字符串转double）
  5. 题目信息：
  6. 题目链接：
    逆波兰表达式求值
  7. 思路：后缀表达式运算方式，创建一个栈存储运算数，当遍历到运算符时，取出两个栈顶元素进行相应运算之后再入栈，重复上述步骤，直至遍历完整个后缀表达式。
cpp 复制代码 
class Solution
{
public:
	int evalRPN(vector<string>& tokens)
	{
		stack<int> num_st;;

		for (auto it : tokens)
		{
            if(it != "+" && it != "-" && it != "*" && it != "/")
            {
                num_st.push(atoi(it.c_str()));
            }
            else
            {
                int right = num_st.top();
				num_st.pop();
				int left = num_st.top();
				num_st.pop();
                switch (it[0])
                {
                    case '+':
                        num_st.push(left + right);
                        break;
                    case '-':
                        num_st.push(left - right);
                        break;
                    case '*':
                        num_st.push(left * right);
                        break;
                    case '/':
                        num_st.push(left / right);
                        break;
                }
            }
		}

		return num_st.top();
	}
};
  1. 补充：C++两个队列实现栈

1.2 queue常用接口（队列）

  1. push（尾插）
  2. pop（头删）
  3. front（队首元素）
  4. back（队尾元素）
  5. empty（判空）
  6. size（队列长度）

1. 二叉树层序遍历

  1. 题目信息：
  2. 题目链接：
    二叉树的层序遍历
  3. 思路：队列存储，计数变量
cpp 复制代码 
class Solution 
{
public:
    vector<vector<int>> levelOrder(TreeNode* root) 
    {
        vector<vector<int>> ret;
        queue<TreeNode*> travel;
        int levelSize = 0;

        if(root == NULL)
        {
            return ret;
        }

        travel.push(root);
        levelSize++;

        while(!travel.empty())
        {
            vector<int> part;
            while(levelSize)
            {
                TreeNode* node = travel.front();
                part.push_back(node->val);
                travel.pop();
                levelSize--;
                if(node->left)
                    travel.push(node->left);
                if(node->right)
                    travel.push(node->right);
            }
            ret.push_back(part);
            levelSize = travel.size();
        }

        return ret;
    }
};

1.3 priority_queue的常用接口（堆）

  1. push
  2. pop（删除堆顶元素）
  3. top（返回堆顶元素）
  4. empty（判空）
  5. size（返回堆的长度）
    补充：默认为大堆

1. 堆排序

cpp 复制代码 
priority_queue<int> heap;
heap.push(10);
heap.push(3);
heap.push(6);
heap.push(2);
heap.push(1);

while (!heap.empty())
{
	cout << heap.top() << " ";
	heap.pop();
}
cout << endl;
  1. 补充：此种堆排的空间复杂度很高O(n)，推荐在vector容器中直接建堆堆排

2. TopK算法

cpp 复制代码 
int arr[] = { 10,3,2,5,6,8,9,4,1,7,11 };
int k = 3;
//greater建小堆，less建大堆
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> heap(arr, arr + k);
while (k < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]))
{
	if (arr[k] > heap.top())
	{
		heap.pop();
		heap.push(arr[k]);
	}
	k++;
}

while (!heap.empty())
{
	cout << heap.top() << " ";
	heap.pop();
}
cout << endl;
  1. 取数据头部k个数据建立一个小堆，在从第k + 1个数开始遍历，当数据大于堆顶数据时，交换二者，制止遍历完整个数组。
  2. 建堆的时间复杂度为O(N)，堆的一次向下调整时间复杂度为O( l o g N log^N logN)，TopK算法的时间复杂度为K + (N - K) l o g K log^K logK

2. 容器适配器

  1. 在数据结构的学习中，我们知道栈，队列，堆等数据结构，底层数据存储的方式上仍使用的是实现过链表顺序表等基础结构，只是对外的接口不同，仅支持规定的插入删除操作，且不支持遍历。
  2. 因此，再去专门实现一份重复性极高的代码于效率上是极低的也没有必要，我们将已经实现过的顺序表链表等数据结构进行封装，只对外开放特定的接口，从而来到达栈，队列等数据结构的效果。这里采用模板参数的方式进行具体实现。
  3. const迭代器增加模板参数的原因为，只有一个运算符重载的返回值不同，其他参数与返回值都相同

2.1 栈的实现

  1. 自定义类型的成员变量会自动调用自己的默认成员函数
cpp 复制代码 
template<class T, class Container = vector<T>>
class stack
{
public:
	void push(const T& val)
	{
		con.push_back(val);
	}

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

	T& top()
	{
		return  con.back();
	}

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

	int size()
	{
		return con.size();
	}

	bool empty()
	{
		return con.size() == 0;
	}

private:
	Container con;
};

2.2 队列的实现

cpp 复制代码 
template<class T, class Container = list<T>>
class queue
{
public:
	void push(T val)
	{
		con.push_back(val);
	}

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

	T& top()
	{
		return con.front();
	}

	const T& top() const
	{
		return con.front();
	}

	int size()
	{
		return con.size();
	}

	bool empty()
	{
		return con.size() == 0;
	}

private:
	Container con;
};

3. 堆（priority_queue）的实现

cpp 复制代码 
template<class T>
class Greater
{
public:
	bool operator()(const T& left, const T& right)
	{
		return left > right;
	}
};

template<class T>
class less
{
public:
	bool operator()(const T& left, const T& right)
	{
		return left < right;
	}
};

//支持[]访问
template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = Greater<T>>
class pirority_queue
{
public:
	int size()
	{
		return con.size();
	}

	bool emtpy()
	{
		return con.size() == 0;
	}

	T& top()
	{
		return con.front();
	}

	const T& top() const
	{
		return con.front();
	}

	void Adjustup()
	{
		int child = con.size() - 1;
		int parent = (child - 1) / 2;

		while (child > 0)
		{
			if (comp(con[parent], con[child]))
			{
				std::swap(con[child], con[parent]);
			}

			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
	}

	//向上调整
	void push(T val)
	{
		con.push_back(val);
		Adjustup();
	}

	void Adjustdown()
	{
		size_t parent = 0;
		size_t child = parent * 2 + 1;
		while (child < con.size())
		{
			if (child + 1 < con.size() && comp(con[child], con[child + 1]))
			{
				child++;
			}

			if (comp(con[parent], con[child]))
			{
				std::swap(con[parent], con[child]);
			}
			else
			{
				break;
			}

			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
	}

	void pop()
	{
		std::swap(con[0], con[size() - 1]);
		con.pop_back();
		Adjustdown();
	}

private:
	Container con;
	Compare comp;
};
  1. 堆的数据结构可以细分为大堆与小堆，面对不同的使用场景我们使用的堆也不同，正常情况下，我们更改堆的模式只能通过手动调整源码，更改比较符号的方式。
  2. 手动调整的方式使得堆的切换十分麻烦且失去了应用价值，大小堆分别实现又增加了代码的冗余性，这里我们采用仿函数或回调函数的方式来解决这一问题。
  3. 回调函数，C语言中函数也是有指针的，我们可以通过传递函数指针类型的参数对象，从而达到在一个函数内部通过指针调用其他需要函数的效果。（函数指针类型相同，内部实现不同，返回值不同）
  4. 仿函数是一个类，是通过重载operator()运算符来达到函数调用的表现形式与效果。
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