C++第八讲：STL--stack和queue的使用及模拟实现

不是编程家2024-10-29 22:09

C++第八讲：STL--stack和queue的使用及模拟实现

1.stack的使用

有了前面的基础之后，栈和队列的使用都很简单，而且其中的接口我们在数据结构中都实现过，所以我们直接看一遍即可：

不同的是，栈中没有实现迭代器，这其实与栈和队列的实现有关：

那么它的访问方式只有循环出栈和获取栈顶元素：

cpp 复制代码 
#include <stack>
int main()
{
    stack<string> s1;
    s1.emplace("hello world!");
    s1.emplace("Xxxxxxxxxxxxx");

    while (!s1.empty())
    {
        cout << s1.top();
        s1.pop();
    }
    cout << endl;//Xxxxxxxxxxxxxhello world!

    cout << s1.empty() << endl;//1，表示此时栈为空

    return 0;
}

2.queue的使用

queue的使用和stack相同，这里不再看：

cpp 复制代码 
#include <queue>
int main()
{
    queue<string> q1;
    q1.emplace("hello world!");
    q1.emplace("Xxxxxxxxxxxx");

    while (!q1.empty())
    {
        cout << q1.front();
        q1.pop();
    }
    cout << endl;//hello world!Xxxxxxxxxxxx

    cout << q1.empty() << endl;//1，表示队列为空

    return 0;
}

3.栈和队列OJ题

3.1题目1：最小栈

链接: 最小栈

cpp 复制代码 
class MinStack {
public:
    MinStack() {
        //初始化堆栈操作其实不用实现：
        //1.自己不实现，内置类型：不一定处理，自定义类型：走自己的构造函数，stack中有自己的构造函数
        //2.写了函数不实现：走初始化列表，没有初始化列表，判断是否给了初始值，最后走构造函数
        //所以我们既可以给这个函数删了，也可以置之不管，我们这里直接不管
    }
    
    void push(int val) {
        _stack.push(val);
        if(_minstack.empty() || val <= _minstack.top()) _minstack.push(val);
    }
    
    void pop() {
        if(_stack.top() == _minstack.top()) _minstack.pop();
        _stack.pop();
    }
    
    int top() {
        return _stack.top();
    }
    
    int getMin() {
        return _minstack.top();
    }
private:
    //创建两个栈
    stack<int> _stack;
    stack<int> _minstack;
};

3.2题目2：栈的压入、弹出序列

链接: 栈的压入、弹出序列

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {
        if(pushV.size() != popV.size()) return false;

        stack<int> _stack;
        int pushi = 0, popi = 0;
        while(pushi < pushV.size())
        {
            _stack.push(pushV[pushi++]);//先入栈
            while(!_stack.empty() && _stack.top() == popV[popi])
            {
                //当栈顶元素和要删除的元素相等时，要出栈
                _stack.pop();
                popi++;
            }
        }
        return _stack.empty();//如果为空，返回true，否则返回false
    }
};

3.3题目3：逆波兰表达式求值

链接: 逆波兰表达式求值

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    int evalRPN(vector<string>& tokens) {
        //首先要先取值入栈
        stack<int> s1;
        for(int i = 0; i<tokens.size(); i++)
        {
            string& s = tokens[i];
            //枚举数字很困难，那么我们就枚举符号
            //s是string类型，而s[0]是第一个字符
            if(s == "+" || s == "-" || s == "*" || s == "/")
            {
                //是字符的话，就拿两个数据进行运算
                int right = s1.top();
                s1.pop();

                int left = s1.top();
                s1.pop();
                switch(s[0])
                {
                case '+':
                    s1.push(left + right);
                    break;//注意break别忘记写了
                case '-':
                    s1.push(left - right);
                    break;
                case '*':
                    s1.push(left * right);
                    break;
                case '/':
                    s1.push(left / right);
                    break;
                }
            }
            else
            {
                //是数字，就入栈
                s1.push(atoi(s.c_str()));
            }
        }
        return s1.top();
    }
};

3.4题目4：用栈实现队列

链接: link

cpp 复制代码 
class MyQueue {
public:
    MyQueue() {
        
    }
    
    void push(int x) {
        //入队列就是直接向入栈中插入数据
        Push.push(x);
    }
    
    int pop() {
        //如果出栈中有数据，直接出栈，否则，先入栈，再出栈
        if(Pop.empty())
        {
            while(!Push.empty())
            {
                Pop.push(Push.top());
                Push.pop();
            }
        }
        int ret = Pop.top();
        Pop.pop();
        return ret;
    }
    
    int peek() {
        if(Pop.empty())
        {
            while(!Push.empty())
            {
                Pop.push(Push.top());
                Push.pop();
            }
        }
        return Pop.top();
    }
    
    bool empty() {
        return Push.empty() && Pop.empty();
    }
private:
    //应该是要两个栈，一个是入栈，一个是出栈
    stack<int> Push;
    stack<int> Pop;
};

4.栈的模拟实现

栈的实现较为简单，我们直接来看：

cpp 复制代码 
//栈的模拟实现
1.我们可以按照之前数据结构讲的那样，开辟数组来实现栈
//template<class T>
//class Stack
//{
//private:
//	T* _a;
//	size_t _top;
//	size_t _capacity;
//};

//但是库中的栈并不是这样实现的，而是使用了一个适配器：
namespace Mine
{
	template<class T, class container>
	class Stack
	{
	public:
		//入栈
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);//因为使用了之前我们用过的容器来实例化栈，所以我们可以直接使用容器的函数来实现栈！
		}
		//出栈
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		//获取栈顶元素
		const T& top() const
		{
			return _con.back();
		}
		//栈中的数个数
		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
		//判空
		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		container _con;//这时我们可以直接使用容器来创建一个对象
	};
}

///

#include "Stack.h"
int main()
{
	Mine::Stack<int, vector<int>> s1;
	s1.push(1);
	s1.push(2);
	s1.push(3);
	while (!s1.empty())
	{
		cout << s1.top() << " ";
		s1.pop();
	}
	cout << endl << s1.size();//3 2 1      0(size)

	return 0;
}

但是我们可能会有疑惑：为什么我们可以直接使用到std中的stack以及它的函数呢？因为：using namespace std;我们在一开始就已经展开了，如果我们不展开的话，还要加上std::，如果展开在#include "Stack.h"后面，也是没有问题的，因为stack是模板参数，当实例化时才会进行错误的检查

5.队列的模拟实现

队列的实现也比较简单，我们直接看即可：

cpp 复制代码 
//队列的模拟实现
//队列的实现也是这样：
namespace Mine
{
	//在模板定义时可以直接为模板参数赋初始值
	template <class T, class container = list<int>>
	class Queue
	{
	public:
		//入队列
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		//出队列
		void pop()
		{
			//对于vector来说，它没有相应的头删函数，因为头删的消耗太大了，所以容器不能够使用vector
			_con.pop_front();
		}
		//获取队头元素
		const T& front() const
		{
			return _con.front();
		}
		//获取队尾元素
		const T& back() const
		{
			return _con.back();
		}
		//队列大小
		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
		//队列判空
		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		container _con;
	};
}

/

#include <list>
#include "Queue.h"
int main()
{
	Mine::Queue<int, list<int>> q1;
	q1.push(1);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	while (!q1.empty())
	{
		cout << q1.front() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;//1 2 3

	return 0;
}

6.deque

上面我们已经实现了栈和队列，但是我们看库中的栈和队列时，会发现：

库中实现的栈和队列的适配器传入的都是一个叫deque的容器，那么这个容器究竟是什么呢？这个容器的底层实现是什么呢？：

6.1什么是deque

我们可以看一下deque实现的功能：

6.2deque的底层实现

所以说deque的缺陷在于[]访问这里，通过代码验证可知，在对10000个数据进行排序时，使用vector比使用deque快将近两倍多，而且如果将deque中的数据拷贝到vector中进行排序，排序之后再拷贝过来的效率也要比单独在deque中进行排序快两倍左右！

所以deque的访问是一个大问题，而拷贝其实是不怎么消耗时间的

6.3deque迭代器的讲解

所以说，对于栈和队列那种不经常插入删除的容器来说，使用deque是再好不过的了

下面我们来看一下deque的迭代器是怎么实现的：

6.4库中deque实现细节

7.prioriry_queue的介绍和使用

7.1什么是priority_queue

翻译为优先级队列，包含在queue头文件中，可以按照数据的优先级对数据进行排序，默认是较大值，它的第一个元素总是大于它所包含的其它元素，它的使用如下：

cpp 复制代码 
int main()
{
	priority_queue<int> pq1;
	pq1.push(5);
	pq1.push(1);
	pq1.push(2);
	pq1.push(9);

	//默认是按照大的优先级排列
	while (!pq1.empty())
	{
		cout << pq1.top() << " ";
		pq1.pop();
	}
	cout << endl;//9 5 2 1

	return 0;
}

我们看到这个是不是感觉很熟悉，那就是堆，大堆、小堆和这个相似，所以我们可以使用堆的方法来实现这个容器

cpp 复制代码 
int main()
{
	//如果我们想要让小的数据优先级高，需要这样使用：
	//priority_queue<int, vector<int>, less<int>> pq1;
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq1;
	pq1.push(5);
	pq1.push(1);
	pq1.push(2);
	pq1.push(9);

	while (!pq1.empty())
	{
		cout << pq1.top() << " ";
		pq1.pop();
	}
	cout << endl;//1 2 5 9

	return 0;
}

7.2在OJ题中的使用

链接: 数组中的第k个最大元素

有了这个容器，该题目实现起来很简单：

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    int findKthLargest(vector<int>& nums, int k) {
        priority_queue<int> pq1;
        //先插入数据
        for(int i = 0; i<nums.size(); i++)
        {
            pq1.push(nums[i]);
        }
        while(--k)//再将k前边的数据进行删除
        {
            pq1.pop();
        }
        return pq1.top();//最后只剩下数据k了，直接返回
    }
};

7.3priority_queue的模拟实现

模拟实现需要使用堆中的算法，所以需要先进行复习：

链接: link

向上调整算法：

上面的图是按照小的优先级高来画的，但是默认是大的优先级大，但是实现思路相同

7.3.1仿函数

我们先实现一下优先级队列的迭代器区间构造：

cpp 复制代码 
//迭代器区间构造
template<class Inputiterator>
priority_queue(Inputiterator begin, Inputiterator end)
	:_con(begin, end)
{
	//迭代器区间插入之后，要将_con设置成为大堆
	for (int i = (_con.size()-1-1)/2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(i);
	}
}

int main()
{
	int a[] = { 1, 5, 3, 9, 7 };
	//Mine::priority_queue<int> pq(a, a+sizeof(a)/sizeof(int));
	Mine::priority_queue<int> pq;//err：没有合适的默认构造可用

	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << " ";
		pq.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

当我们不写默认构造的话，编译器会自己提供一个默认构造，但是这里我们写了默认构造，但是不想写_con，也就是容器适配器(vector)的默认构造，有没有什么办法？：

这需要写这个就可以强制生成一个默认构造来使用

但是我们知道，库中的优先级队列的实现可以通过传入greater或less参数来实现优先级的更改的，那么我们如何实现这个操作呢？这时候就要看仿函数这个概念了：

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

template<class T>
struct Greater
{
	bool operator()(const T& x, const T& y) const
	{
		return x > y;
	}
};

int main()
{
	//仿函数的使用
	Less<int> LessFunc;
	cout << LessFunc(1, 2) << endl;//1
	//如果我们只看LessFunc(1, 2)这个的话，很想一个函数调用，所以被称为仿函数

	return 0;
}

可以看出，仿函数的使用还是很简单的，而仿函数调用的原理其实是：

仿函数在我们实现的优先级队列中的应用为：

但是库中在实现优先级队列时，传入的是less，创建的是大堆，传入的是greater，创建的是小堆，所以我们也要做一下更改：

7.3.1.1仿函数的其它应用场景
cpp 复制代码 
//假设我们实现了一个日期类，其中实现了日期类的传参构造，>和<的比较，以及流插入的重载
class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	bool operator<(const Date& d)const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}
	bool operator>(const Date& d)const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
	return _cout;
}

int main()
{
	Mine::priority_queue<Date> q1;

	q1.push({ 2024, 10, 23 });
	q1.push({ 2024, 5, 27 });
	q1.push({ 2024, 11, 2 });

	while (!q1.empty())
	{
		cout << q1.top() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

这里我们可以看到，该程序成功实现了我们的需求，但是我们这样改一下：

cpp 复制代码 
int main()
{
	//这里传入的参数为Date*类型
	Mine::priority_queue<Date*> q1;
	
	q1.push(new Date{ 2024, 10, 23 });
	q1.push(new Date{ 2024, 5, 27 });
	q1.push(new Date{ 2024, 11, 2 });

	while (!q1.empty())
	{
		cout << *q1.top() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

这时我们看到，因为传入的是地址，而地址在new开辟时是不确定的，所以通过比较地址大小来排序是完全不行的，谁最大都有可能出现，所以我们要解决这个问题：

cpp 复制代码 
struct Dateless
{
	bool operator()(const Date* d1, const Date* d2) const
	{
		return *d1 < *d2;
	}
};
struct Dategreater
{
	bool operator()(const Date* d1, const Date* d2) const
	{
		return *d1 > *d2;
	}
};

int main()
{
	//Mine::priority_queue<Date*> q1;
	Mine::priority_queue<Date*, vector<Date*>, Dateless> q1;

	q1.push(new Date{ 2024, 10, 23 });
	q1.push(new Date{ 2024, 5, 27 });
	q1.push(new Date{ 2024, 11, 2 });

	while (!q1.empty())
	{
		cout << *q1.top() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

可以看出，我们的解决方法为：再写出两个比较的类进行传入，如果我们需要比较的是两个指针的话，那么走的就是这个解引用的函数，所以仿函数的优点在于：如果库中不支持这个比较，而且我们访问不到这个类时，我们就可以自己写一个仿函数，实现我们想要的需求，但是如果我们不像每次比较时都要传参的话要怎么办呢？：这个之后会讲到！

我们现在还要看的一个是sort的传参和模板参数的问题：

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