容器适配器stack、queue、priority_queue
以下代码环境为 VS2022 C++。
一、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。
则容器适配器意为：将容器类的接口转换成容器适配器的接口。
C++ STL 的容器适配器有三个，分别是 stack、queue、priority_queue。
二、deque容器
参考：std::deque
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)。
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。
2.deque的特点
-
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，因此其效率是比 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。
3.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。
stack 和 queue 结合了 deque 的优点，而完美的避开了其缺陷。
三、stack简单实现与源码
stack 的介绍参考：std::stack
stack 常用接口有：
- stack的构造函数
- push
- pop
- top
- size
- empty
由于 stack 内部开辟、释放空间的操作交给了 deque， 所以 stack 并不用显示的设计 构造函数、析构函数、赋值重载 和 拷贝构造。
在 stack.h 中：
cpp
#pragma once
#include <deque>
namespace my
{
template<class T, class Container = std::deque<T>>
class stack
{
public:
// 编译器自动实现一个默认构造函数，
// 即便不显示初始化，也会走初始化列表的，
// 而 deque 自己初始化时会走默认构造。
//stack(const Container& con = Container())
// :_con(con)
//{
// ;
//}
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_back();
}
T& top()
{
return _con.back();
}
const T& top() const
{
return _con.back();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}四、queue简单实现与源码
queue 的介绍参考：std::queue
queue 常用接口有：
- queue的构造函数
- push
- pop
- back
- front
- size
- empty
queue 同理于 stack，空间开辟和释放交给 deque，不用显示设计上述的四个函数。
在 queue.h 中：
cpp
#pragma once
#include <deque>
namespace my
{
template<class T, class Container = std::deque<T>>
class queue
{
public:
// 同理于 stack
//queue(const Container& con = Container())
// :_con(con)
//{
// ;
//}
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_front();
}
T& back()
{
return _con.back();
}
const T& back() const
{
return _con.back();
}
T& front()
{
return _con.front();
}
const T& front() const
{
return _con.front();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
};五、priority_queue简单实现与源码
priority_queue 的介绍参考：std::priority_queue
priority_queue（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(heap)，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。
对于堆的介绍与实现细节参考：二叉树顺序结构------堆的结构与实现
priority_queue 常用接口有：
- priority_queue的默认构造函数与迭代器参数构造函数
- push
- pop
- top
- size
- empty
priority_queue 也不用显示实现关于空间开辟与释放的相关函数。
在 priority_queue.hpp 中：
cpp
#pragma once
#include <vector>
//#include <functional>
namespace my
{
// 自己实现的仿函数less和greater
template<class T>
class less
{
public:
bool operator()(const T& number1, const T& number2)
{
return number1 < number2;
}
};
template<class T>
class greater
{
public:
bool operator()(const T& number1, const T& number2)
{
return number1 > number2;
}
};
template <class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
class priority_queue
{
public:
// 因为显示的实现了接受迭代器的初始化，需要显示实现默认构造
priority_queue(const Compare& comp = Compare(), const Container& con = Container())
:_comp(comp)
,_con(con)
{
;
}
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
push(*first);
++first;
}
}
void AdjustDown(int parent) // 向下调整算法
{
int 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 AdjustUp(int child) // 向上调整算法
{
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (_comp(_con[parent], _con[child]))
{
std::swap(_con[parent], _con[child]);
}
else
{
break;
}
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
}
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
AdjustUp(_con.size() - 1);
}
void pop()
{
std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.resize(_con.size() - 1);
AdjustDown(0);
}
const T& top() const
{
return _con[0];
}
T& top()
{
return _con[0];
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
Compare _comp;
};
};