【C++】适配器模式

文章目录

  • [1. 适配器的介绍](#1. 适配器的介绍)
  • [2. 仿函数](#2. 仿函数)
    • [2.1 sort函数的模板参数](#2.1 sort函数的模板参数)
    • [2.2 priority_queue类的模板参数](#2.2 priority_queue类的模板参数)
  • [3. priority_queue模拟实现](#3. priority_queue模拟实现)
  • [3. stack & queue 模拟实现](#3. stack & queue 模拟实现)
    • [3.1 deque的介绍](#3.1 deque的介绍)
    • [3.2 deque的优点与缺陷](#3.2 deque的优点与缺陷)
    • [3.3 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现](#3.3 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现)

前言


C++中的适配器是一种设计模式用于将一个类或对象的接口转换为另一个接口,以便不同的类或对象可以相互协作。适配器模式可以分为类适配器和对象适配器两种形式。

类适配器通过继承源类并实现目标接口来实现适配。在类适配器中,适配器类同时继承自源类和目标接口,并重新实现目标接口的方法,以将源类的方法转换为目标接口的方法。

对象适配器则通过在适配器类中包装一个源对象来实现适配。在对象适配器中,适配器类持有一个源对象的引用,并实现目标接口的方法,在方法内部调用源对象的相应方法来完成适配。

适配器模式的主要作用是解决接口不兼容的问题,使得不同的类或对象可以在一起工作,提高了代码的复用性和可维护性。

1. 适配器的介绍


  1. stack的文档介绍
  2. queue的文档介绍
  3. priority_queue的文档介绍

大家也可以看看这篇博客:《STL使用详解》中stackqueue以及priority_queue部分。

虽然stackqueuepriority_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stackqueuepriority_queue只是对其他容器的接口进行了包装,STL中stackqueue默认使用dequepriority_queue默认使用vector,比如:



从这三组对比中,我们可以看到,stackqueue只有两个模板参数,并且第二个模板参数都deque容器(是一个双端队列),而priority_queue有三个模板参数,并且第二个模板参数是vector容器(第三个模板参数,在后面讲)。

如图这里我创建了三个栈,它们的底层形式是不一样的,但是在功能上结果都是一样的

用同样的方式创建队列,可以看到我们使用vector创建队列时,就不能调用队列的pop函数。因为,顺序表的头插头删效率太低了,所以在STL中的vector并没有提供头插头删的接口。但如果我们自己实现queue的话,可以将队列的pop函数改成调用容器的erase函数,用该函数删掉容器中的第一个位置的元素,也能达到队列pop的功能。

由此我们可以总结:

如果不考虑效率问题的话,只要一个容器能够满足某个适配器所有的接口功能,那么我们就可以用这个适配器来适配该容器。

2. 仿函数


C++中的仿函数是一种通过在类中重载 () 运算符来实现的特殊类。它的行为类似于函数,可以像使用函数一样创建类的对象,并通过调用对象来执行相应的操作。

仿函数的主要用途是与 STL中的算法进行配合,为算法提供特定的行为或比较规则。例如,在排序算法中,可以使用仿函数来定义排序的顺序。

通过使用仿函数,可以将一些常见的操作(如加减、比较大小等)定义为类的成员函数,并将这些类的对象作为参数传递给算法,使算法能够根据仿函数的定义进行相应的处理。

与普通函数相比,仿函数具有以下优点:

  • 可以存储和处理更多的有用信息,例如与操作相关的数据。
  • 可以通过类的继承和多态性来实现更灵活的行为。
  • 可以在不同的上下文环境中重复使用,提高代码的复用性。

在 C++中,可以通过以下方式创建仿函数:

  1. 定义一个类,并在类中重载 () 运算符。
  2. () 运算符的实现中,根据需要执行相应的操作。
  3. 创建类的对象,并像使用函数一样调用该对象。

需要注意的是,要使仿函数能够与 STL 中的算法完美配合,还需要满足一些特定的条件,例如可配接性等。

这里先简单的介绍一下仿函数怎么使用。

2.1 sort函数的模板参数


从这里可以看出,我们使用sort函数时,默认是升序排序(是因为默认第三个参数传了个less<T>()的默认参数)。但如果我们想让这组数据降序排序,就得再后面再加一个参数

这样排序下来的结果就是降序了。我们可以看到,最后传的这个参数是一个匿名对象,在这里也叫做仿函数,因为它具有和函数相似的功能,但又不是函数。我们在这里模拟实现一下用于比较大小的两个仿函数:

cpp 复制代码
namespace hyt
{
	template<class T>
	struct less
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};
	template<class T>
	struct greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};
}

我用一个命名空间封装起来了,在这里我们可以看到和std命名空间里面的效果是一样的

2.2 priority_queue类的模板参数

我们再来看看priority_queue,它底层就是一个堆,默认情况下是大堆 ,关于堆的知识,这篇博客有详细的讲解:堆的实现

在前面,我们看到了priority_queue的模板参数

这里的第三个模板参数,就是传一个类型,来确定是大堆还是小堆,我们来举例试一下:

再来用我上面写的less和greater试一下:

可以看到效果是一样的。

这里有一个比较简单的小问题,可能有些刚学的老铁会对此有些疑惑,我在这里简单提一下:

这里可以看到,sort函数这里,我们是传一个类型为greater<int>的匿名对象 ,而priority_queue是传一个greater<int>类型

这里解释下,因为priority_queue是一个类模板,需要将具体的类型传过去,才是一个具体的类名,而模板参数绝大多数情况都是传递类型。sort是一个函数模板,而函数传参一般都是将已经实例化的个体传递过去(例如:实例化的对象,普通变量,常量等)。所以sort就是需要传递一个对象 (可以传仿函数对象 ,也可以传函数指针),而priority_queue需要传递一个类型

3. priority_queue模拟实现


我们在前面已经说过,priority_queue的底层就是一个堆,它默认使用的容器是vector,原因是因为堆这个数据结构会经常用到[]来访问数据。下

cpp 复制代码
#include<vector>
#include<functional>
namespace hyt
{

    template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>
        class priority_queue
        {
        public:

        priority_queue() // 默认调用默认成员函数
        {}

        template <class InputIterator>
        priority_queue(InputIterator first, InputIterator last) // 拷贝构造
        {
            if (first != last)
            {
                _c.insert(_c.begin(), first, last); // 将一组数据放入到数组中

                // 进行向下调整算法
                size_t pos = _c.size();
                while (pos > 0)
                {
                    AdJustDown(pos - 1);
                    --pos;
                }
            }
        }

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

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

        const T& top() const
        {
            return _c[0];
        }

        T& top()
        {
            return _c[0];
        }
        void push(const T& x)
        {
            _c.push_back(x);

            // 进行向上调整算法
            AdJustUp(_c.size() - 1);
        }
        void pop()
        {
            swap(_c[0], _c[_c.size() - 1]); // 将两个元素交换位置
            _c.pop_back();

            // 进行向下调整算法
            AdJustDown(0);
        }

    private:
        Container _c;
        Compare _comp;
        // 向上调整算法
        void AdJustUp(size_t child)
        {
            size_t parents = (child - 1) / 2;
            while (child > 0)
            {
                if (_comp(_c[parents], _c[child]))
                {
                    swap(_c[parents], _c[child]);
                    child = parents;
                    parents = (child - 1) / 2;
                }
                else
                    break;
            }
        }

        // 向下调整算法
        void AdJustDown(size_t parents)
        {
            size_t child = parents * 2 + 1;
            while (child < _c.size())
            {
                if (child + 1 < _c.size() && _comp(_c[child], _c[child + 1]))
                    ++child;
                if (_comp(_c[parents], _c[child]))
                {
                    swap(_c[parents], _c[child]);
                    parents = child;
                    child = parents * 2 + 1;
                }
                else
                    break;
            }
        }
    };
}

3. stack & queue 模拟实现


3.1 deque的介绍

deque的文档介绍

deque(双端队列)的底层实现通常由以下几个部分组成:

  1. 分段连续空间:deque 的存储空间由一段段定量的连续空间构成,而这些连续空间可能并不连续它们分布在内存的不同区域
  2. 中控器:用于管理和组织这些分段连续空间,维持整体连续假象的状态。
  3. 缓冲区:deque 的主存储体,每个缓冲区都是一段连续的空间。
  4. 迭代器:deque 的迭代器需要具备指出当前缓冲区位置、判断是否在缓冲区边缘以及访问和操作当前元素等功能。

deque 的分段存储结构提高了在序列两端添加或删除元素的效率,但也使迭代器的底层实现变得更复杂。迭代器需要能够在不同的连续空间中进行跳转,并正确处理缓冲区边缘的情况。

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,其底层结构如下图所示:

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,如下图所示:

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢?

deque 的迭代器主要由四个元素构成:cur(当前指向的元素地址)、first(元素所属缓冲区的头)、last(元素所属缓冲区的尾)、node(指向缓冲区所属的 map 的位置)。

在缓冲区内,迭代器的遍历方式和普通迭代器相同。当进行到缓冲区边缘时,迭代器需要调用 set_node() 跳到下一个缓冲区,以维持整体连续的假象。

deque 中控器采用一块所谓的 map(非 STL map)作为主控map 是一小块连续空间,其中每个元素都是一个指针,指向另一段较大的连续线性空间,称为缓冲区缓冲区才是 deque 的存储主体

这种结构使得 deque 在头尾两端进行插入和删除操作时,时间复杂度为 O(1),同时也提供了随机存取的接口。但代价是迭代器结构的复杂性

3.2 deque的优点与缺陷

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。

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vectorlistdeque的应用并不多,而目前能看到的一个应用就是,STL用其作为stackqueue的底层数据结构

写一组测试用例来测试一下效率:

cpp 复制代码
void test_op1()
{
    srand(time(0));
    const int N = 1000000;

    deque<int> dq;
    vector<int> v;

    for (int i = 0; i < N; ++i)
    {
        auto e = rand() + i;
        v.push_back(e);
        dq.push_back(e);
    }

    int begin1 = clock();
    sort(v.begin(), v.end());
    int end1 = clock();

    int begin2 = clock();
    sort(dq.begin(), dq.end());
    int end2 = clock();

    printf("vector:%d\n", end1 - begin1);
    printf("deque:%d\n", end2 - begin2);
}

这组测试用例的目的是生成一百万个随机数,分别存放到vector和deque中,然后再分别将这两个容器中的数据进行排序看一下它们的效率:

cpp 复制代码
void test_op2()
{
    srand(time(0));
    const int N = 1000000;

    deque<int> dq1;
    deque<int> dq2;

    for (int i = 0; i < N; ++i)
    {
        auto e = rand() + i;
        dq1.push_back(e);
        dq2.push_back(e);
    }

    int begin1 = clock();
    sort(dq1.begin(), dq1.end());
    int end1 = clock();

    int begin2 = clock();

    // 拷贝到vector
    vector<int> v(dq2.begin(), dq2.end());
    sort(v.begin(), v.end());
    dq2.assign(v.begin(), v.end());
    int end2 = clock();

    printf("deque sort:%d\n", end1 - begin1);
    printf("deque copy vector sort, copy back deque:%d\n", end2 - begin2);
}

这组测试用例的目的是生成一百万个随机数,分别存入到两个不同的deque中,将其中一个deque中的数据进行排序。将另一个deque中的数据拷贝到一个vector中,再将该vector中的数据进行排序,最后再将排序完的数据拷贝回原来的deque中。看一下它们的效率:

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()pop_back()操作的线性结构,都可以作为stack的底层容器,比如vectorlist都可以;queue是先进先出的特殊线性数据结构,只要具有push_backpop_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stackqueue默认选择deque作为其底层容器,主要是因为:

  1. stackqueue不需要遍历(因此stackqueue没有迭代器),只需要在固定的一端或者两端进行操作。
  2. stack中元素增长时,dequevector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。

3.3 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

cpp 复制代码
#include<deque>
namespace hyt
{
    // stack 实现
    template<class T, class Con = std::deque<T>>
    class stack
    {
    public:

        stack() // 默认调用自定义类的默认构造函数
        {}

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

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

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

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

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

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

    private:
        Con _c;
    };

    // queue 实现
    template<class T, class Con = std::deque<T>>
    class queue
    {
    public:

        queue() // 默认调用自定义类的默认构造函数
        {}

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

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

        T& back()
        {
            return _c.back();
        }

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

        T& front()
        {
            return _c.front();
        }

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

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

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

    private:
        Con _c;
    };
};
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