stack和queue
在数据结构中学习栈和队列，模拟实现时，可能会将其视为一种容器，这似乎和顺序表、链表没什么不同，但STL中，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，用于包装的容器为deque
1 容器适配器
1.1 适配器概念
适配器是一种设计模式 (设计模式是一套被反复使用的、多人知晓的、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一个接口
1.2 STL中stack和queue的底层结构
2 deque
2.1 deque简要介绍
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：
整个deque的全景如下图所示：
2.2 deque的优缺点分析
优点
- 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。
- 查询的效率 略逊于vector，但比list高很多：当各个buffer的大小一致的时候，查询可以简单的通过
i//sizeof(buffer)和i%sizeof(buffer)来定位。
缺点
- 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，在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list
- 中间插入较复杂 ：中间字段的buffer都是已经放满的了，如果要插入就要面临两种选择：
- 扩容buffer：这将导致各个buffer的大小不一致，实际运用过程中如果发生了这种情况，将导致查询的效率也降低，这是得不偿失的。
- 和vector一样移动数据：这样造成的损失同样很高，但至少比起第一种方案要好一点。
基于以上原因，使用deque最好的场景就是避免了上述缺点情况的发生，也就是用其来实现stack和queue
2.3 使用deque来实现stack和queue
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 使用deque模拟实现stack和queue
c++
// 代码框架
#include <deque>
namespace MySTL
{
template<class T, class Con = std::deque<T>>
class stack
{
public:
stack();
void push(const T& x);
void pop();
T& top();
const T& top()const;
size_t size()const;
bool empty()const;
private:
Con _c;
};
template<class T, class Con = std::deque<T>>
class queue
{
public:
queue();
void push(const T& x);
void pop();
T& back();
const T& back()const;
T& front();
const T& front()const;
size_t size()const;
bool empty()const;
private:
Con _c;
};
};
c++
// 实现结果
#include <deque>
#include <iostream>
namespace MySTL
{
template<class T, class Con = std::deque<T>>
class stack
{
public:
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;
};
template<class T, class Con = std::deque<T>>
class queue
{
public:
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;
};
};4 priority_queue
4.1 priority_queue的介绍
- 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。
- 此上下文类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索最大堆元素(优先队列中位于顶部的元素)。
- 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。
- 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：
- empty()：检测容器是否为空
- size()：返回容器中有效元素个数
- front()：返回容器中第一个元素的引用
- push_back()：在容器尾部插入元素
- pop_back()：删除容器尾部元素
- 标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定的priority_queue类实例化指定容器类，则使用vector。
- 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。
4.2 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。
-
如果在priority_queue中放自定义类型的数据，用户需要在自定义类型中提供> 或者< 的重载。
4.3 priority_queue模拟实现
c++
// 代码框架
#include<vector>
namespace MySTL
{
template <class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = std::less<T> >
class priority_queue
{
public:
priority_queue();
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last);
bool empty() const;
size_t size() const;
T& top() const;
void push(const T& x);
void pop();
private:
Container c;
Compare comp;
};
};
c++
// 实现结果
#include<vector>
namespace MySTL
{
template <class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = std::less<T> >
class priority_queue
{
public:
priority_queue() :c() {}
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last) : c(first, last) {
for (int i = (c.size() - 2) / 2; i >= 0; --i) {
AdjustDown(i);
}
}
bool empty() const {
return c.empty();
}
size_t size() const {
return c.size();
}
T& top() const {
return c.front();
}
void push(const T& x) {
c.push_back(x);
AdjustUp(c.size() - 1);
}
void pop() {
if (empty())
return;
std::swap(c.front(), c.back());
c.pop_back();
AdjustDown(0);
}
private:
void AdjustUp(int child) {
int parent = (child - 1) / 2;
while (child) {
if (comp(c[parent], c[child])) {
std::swap(c[parent], c[child]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
return;
}
}
void AdjustDown(int parent) {
int child = parent * 2 + 1;
while (child < c.size()) {
if (child + 1 < c.size() && comp(c[child], c[child + 1])) {
child = child + 1;
}
if (comp(c[parent], c[child])) {
std::swap(c[parent], c[child]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
return;
}
}
Container c;
Compare comp;
};
};