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
大家也可以看看这篇博客:《STL使用详解》中stack
、queue
以及priority_queue
部分。
虽然stack
、queue
和priority_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
、queue
和priority_queue
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
,priority_queue
默认使用vector
,比如:
从这三组对比中,我们可以看到,stack
,queue
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:
- 定义一个类,并在类中重载 () 运算符。
- 在 () 运算符的实现中,根据需要执行相应的操作。
- 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
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
#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(双端队列)的底层实现通常由以下几个部分组成:
- 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。 - 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。
- 缓冲区:
deque
的主存储体,每个缓冲区都是一段连续的空间。 - 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
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。
写一组测试用例来测试一下效率:
cpp
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
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()
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:
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。- 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。
3.3 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现
cpp
#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;
};
};