【C++初阶】stack和queue
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[1. stack的介绍和使用](#1. stack的介绍和使用)
[1.1 stack的介绍](#1.1 stack的介绍)
[1.2 stack的使用](#1.2 stack的使用)
[1.3 stack的模拟实现](#1.3 stack的模拟实现)
[2. queue的介绍和使用](#2. queue的介绍和使用)
[2.1 queue的介绍](#2.1 queue的介绍)
[2.2 queue的使用](#2.2 queue的使用)
[2.3 queue的模拟实现](#2.3 queue的模拟实现)
[3. priority_queue的介绍和使用](#3. priority_queue的介绍和使用)
[3.1 priority_queue的介绍](#3.1 priority_queue的介绍)
[3.2 priority_queue的使用](#3.2 priority_queue的使用)
[3.3 priority_queu的模拟实现](#3.3 priority_queu的模拟实现)
[4. 容器适配器](#4. 容器适配器)
[4.1 什么是适配器](#4.1 什么是适配器)
[4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构](#4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构)
[4.3 deque的简单介绍](#4.3 deque的简单介绍)
[4.3.1 deque的原理介绍](#4.3.1 deque的原理介绍)
[4.3.2 deque的缺陷](#4.3.2 deque的缺陷)
[4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器](#4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器)
[4.5 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现](#4.5 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现)
[4.5.1 stack的模拟实现](#4.5.1 stack的模拟实现)
[4.5.2 queue的模拟实现](#4.5.2 queue的模拟实现)
1. stack的介绍和使用
1.1 stack的介绍
翻译：
①****栈是一种容器适配器，专门用于FILO(First In Last Out：先进后出)操作，其中从容器的固定一端插入和删除元素。
②****栈作为容器适配器实现，容器适配器：将特定容器类(vector等)封装作为其底层容器类，stack提供
一组特定的成员函数来访问其元素。元素从栈尾插入、栈尾删除。
③****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。该底层容器应至少
支持以下操作:
1. empty：判断栈是否尾空
2. size：返回栈中有效元素的个数
3. top：返回栈顶元素
4. push：入栈
5. pop：出栈
1.2 stack的使用
empty：判空
top：获取栈顶元素
push：入栈
出栈：推出栈顶数据
size：获取栈中数据个数
OJ练习：
栈的压入、弹出序列_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)
1.3 stack的模拟实现
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>
using namespace std;namespace gjk
{
template<class T,class Container = vector<int>>
class stack
{
public://将数据入栈，调用库中push_back函数
void push(const T& data)
{
_arr.push_back(data);
}//推出栈顶元素，调用库中的pop_back函数
void pop()
{
_arr.pop_back();
}//获取栈中数据个数，调用库中的size()函数
size_t size()
{
return _arr.size();
}//判空
bool empty() const
{
return size() == 0;
}//获取栈顶元素
T& top()
{
return _arr.back();
}const T& top() const
{
return _arr.back();
}private:
Container _arr;
};
}
2. queue的介绍和使用
2.1 queue的介绍
翻译：
①****队列是一种容器适配器，专门用于FIFO(First In First Out：先进先出)操作，其中从容器一端插入元素，从另一端删除元素。
②****队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类(vector等)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。
③****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。该底层容器应至少
支持以下操作:
1. empty：判断队列是否为空
2. size：返回队列中元素个数
3. front：返回队头元素
4. back：返回队尾元素
5. push_back：尾插元素
6. pop_front：头删元素
2.2 queue的使用
empty：判空
size：元素个数
front：获取队头元素
back：获取队尾元素
push_back：尾插元素
pop_front：头删元素
OJ练习：
2.3 queue的模拟实现
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>
using namespace std;namespace gjk
{
template<class T,class Container = list<T>>
class queue
{
public://尾插
void push(const T& data)
{
_arr.push_back(data);
}//头删
void pop()
{
_arr.pop_front();
}//获取队尾元素
T& back()
{
return _arr.back();
}const T& back() const
{
return _arr.back();
}//获取队头元素
T& front()
{
return _arr.front();
}const T& front() const
{
return _arr.front();
}//队列中元素个数
size_t size()
{
return _arr.size();
}//判空
bool empty() const
{
return size() == 0;
}private:
Container _arr;
};
}
3. priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue的介绍
翻译：
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****优先队列类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索堆顶的元素。
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，并支持以下操作：
1. empty：判空
2. size：元素个数
3. top：获取堆顶元素
4. push：在堆中插入元素
5. pop：删除堆顶元素
⑤****标准容器类vector和deque都满足这些需求。默认情况下，如果没有为priority_queue
类实例化指定容器类，则使用vector。
⑥****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
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 ，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用
priority_queue。注意：默认情况下priority_queue是大堆。
empty：判空
size：获取元素个数
top：获取堆顶元素
push：插入元素
pop：删除堆顶元素
OJ练习：
215. 数组中的第K个最大元素 - 力扣（LeetCode）
3.3 priority_queu的模拟实现
//priority_queue.h
#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>
#include <queue>
using namespace std;template<class T>
//Less和Greater类的功能是让我们能够灵活地在建大堆和建小堆之间切换
class Less
{
public://重载()，在使用Less时选用Less的()
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x > y;
}
};template<class T>
class Greater
{
public://在使用Greater时选用Greater的()，从而实现不同的功能
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};namespace gjk
{//模板中的container根据我们传的是Less还是Greater去实例化为不同的类
template<class T,class container = Less<T>,class Container = deque<T>>
class priority_queue
{
void swap(T& x, T& y)
{
T tmp = x;
x = y;
y = tmp;
}
public://向下调整
void AdjustDown(int parents,container com)//我们传Less则com就是Less类类型的对象，使用()时就会使用Less中重载的()
{
int child = parents * 2 + 1;
while (child < size())
{
if (child + 1 < size() && com(_arr[child + 1], _arr[child]))
child++;
if (com(_arr[child], _arr[parents]))
swap(_arr[child], _arr[parents]);
else
break;
parents = child;
child = parents * 2 + 1;
}
}//向上调整
void AdjustUp(int child,container com)
{
int parents = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (com(_arr[parents], _arr[child]))
swap(_arr[parents], _arr[child]);
else
break;
child = parents;
parents = (child - 1) / 2;
}
}//获取元素个数
size_t size()
{
return _arr.size();
}//插入元素，插入后需要调整堆
void push(const T& data,container com)
{
_arr.push_back(data);
AdjustUp(size() - 1, com);
}//获取堆顶元素
const T& top()
{
return _arr[0];
}//删除元素，删除后同样需要调整堆
void pop(container com)
{
swap(_arr[0], _arr[size() - 1]);
AdjustDown(0, com);
_arr.pop_back();
}//判空
bool empty()
{
return size() == 0;
}private:
Container _arr;
};
}
4. 容器适配器
4.1 什么是适配器
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。
打个比方，你现在有一个使用三孔充电器的电器需要充电，但是你只有两孔的充电插排，这时候该怎么办呢？我们通常会使用一个转接口(也就是适配器)，将三孔充电器插入转接口，再将转接口插入插排。这里的转接口就是适配器。
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，比如：
4.3 deque的简单介绍
4.3.1 deque的原理介绍
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，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？
4.3.2 deque的缺陷
与vector相比：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相比：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。
4.5 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现
4.5.1 stack的模拟实现
#include<deque>
namespace bite
{
template<class T, class Con = deque<T>>
//template<class T, class Con = vector<T>>
//template<class T, class Con = list<T>>
class stack
{
p
ublic :
stack() {}
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;
};
}
4.5.2 queue的模拟实现
#include<deque>
#include <list>
namespace bite
{
template<class T, class Con = deque<T>>
//template<class T, class Con = list<T>>
class queue
{
p
ublic :
queue() {}
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;
};