【C++】stack、queue、容器适配器

Zsy_0510032026-02-02 10:55

一、stack的介绍和使用

1.stack的介绍

栈是一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵循后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。
Stack的文档介绍

2.stack的使用

函数声明 接口说明
stack() 构造空的栈
empty() 检测stack是否为空，是返回true，否则返回false
size() 返回stack中有效元素的个数
top() 返回栈顶元素的引用
push() 将元素val压入栈中
pop() 将stack中尾部的元素弹出

stack相关OJ

（1）最小栈

本题可以使用两个栈，第一个栈存储元素，第二个栈存储最小元素，在每次入栈操作时检查入站元素是否小于第二个栈的栈顶元素，如果小于或等于，就将入栈元素同时压入第二个栈中，出栈时同样检查，当出栈元素等于第二个栈的栈顶元素时，即出站元素即为当前最小元素，两个栈同时出栈，否则只有第一个栈出栈。

cpp 复制代码 
class MinStack {
public:
    MinStack() {
        
    }
    
    void push(int val) {
        _elem.push(val);
        if(_min.empty() || val <= _min.top()){
            _min.push(val);
        }
    }
    
    void pop() {
        if(_min.top() == _elem.top()){
            _min.pop();
        }
        _elem.pop();
    }
    
    int top() {
        return _elem.top();
    }
    
    int getMin() {
        return _min.top();
    }
private:
    std::stack<int> _elem;
    std::stack<int> _min;
};

/**
 * Your MinStack object will be instantiated and called as such:
 * MinStack* obj = new MinStack();
 * obj->push(val);
 * obj->pop();
 * int param_3 = obj->top();
 * int param_4 = obj->getMin();
 */

（2）栈的压入、弹出序列

本题模拟入栈顺序，每次入栈检查，当入栈元素与出栈序列相等时出栈。最后所有元素入栈完毕后，若stack为空即为合法，返回true，否则返回false。

cpp 复制代码 
class Solution {
  public:
    /**
     * 代码中的类名、方法名、参数名已经指定，请勿修改，直接返回方法规定的值即可
     *
     *
     * @param pushV int整型vector
     * @param popV int整型vector
     * @return bool布尔型
     */
    bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {
        // write code here
        stack<int> st;
        for (auto& e : pushV) {
            st.push(e);
            while (!st.empty() && st.top() == popV[0]) {
                st.pop();
                popV.erase(popV.begin());
            }
        }
        return st.empty();
    }
};

二、queue的介绍和使用

1.queue的介绍

queue的文档介绍

  1. 队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO上下文（先进先出）中操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素
  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：
    • empty：检测队列是否为空
    • size：返回队列中有效元素个数
    • front：返回队头元素的引用
    • back：返回队尾元素的引用
    • push_back：在队列尾部入队列
    • pop_front：在队列头部出队列
  4. 标准容器类deque和list满足了这些要求，默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque

2.queue的使用

函数声明 接口说明
queue() 构造空的队列
empty() 检测queue是否为空，是返回true，否则返回false
size() 返回queue中有效元素的个数
front() 返回队头元素的引用
back() 返回队尾元素的引用
push() 在队尾将元素val入队列
pop() 将对头元素出队列

三、priority_queue的介绍和使用

1.priority_queue的介绍

priority_queue的文档介绍

  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. 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）。
  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：
    • 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
  5. 标准容器类vector和deque满足了这些要求，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
  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

2.priority_queue的使用

函数声明 接口说明
priority_queue()/priority_queue(first, last) 构造一个空的优先级队列
empty() 检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false
top() 返回优先级队列中最大（最小）元素，即堆顶元素
push(x) 在优先级队列中插入元素x
pop() 删除优先级队列中最大（最小）元素，即堆顶元素

【注意】

  1. 默认情况下，priority_queue是大堆
cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include<vector>
#include<queue>
#include<functional> // greater算法的头文件
using namespace std;

int main() {
	// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
	vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };
	priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v) {
		q1.push(e);
	}
	cout << q1.top() << endl;

	// 如果要创建小堆，将第三个参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;
	return 0;
}
  1. 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
cpp 复制代码 
#include<queue>
#include<iostream>
using namespace std;

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)
			&& (_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);
	}

	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() {
	// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
	priority_queue<Date> q1;
	q1.push(Date(2026, 1, 29));
	q1.push(Date(2026, 1, 28));
	q1.push(Date(2026, 1, 30));
	cout << q1.top() << endl;

	// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
	priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2026, 1, 29));
	q2.push(Date(2026, 1, 28));
	q2.push(Date(2026, 1, 30));
	cout << q2.top() << endl;
	return 0;
}

3.priority_queue在OJ中的使用

数组中的第K个最大元素

将vector中的数据全部拷贝到priority_queue中，将前k-1和数据删除，剩余元素中堆顶元素即为第k大的元素

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    int findKthLargest(vector<int>& nums, int k) {
        priority_queue<int> pq(nums.begin(), nums.end());
        for(int i = 0; i < k-1; i++){{
            pq.pop();
        }}
        return pq.top();
    }
};

四、容器适配器

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一种接口。

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STL没有将其划分在容器中，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。

3.deque的简单介绍

  • deque（双端队列）：是一种双向开口的"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
  • deque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

deque的缺陷

  • 与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率很高，而且在扩容时也不需要搬移大量元素，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，可能要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时大多情况下会优先考虑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。

选择deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

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），只需要在固定的一段或者两段进行操作
  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
    结合了deque的优点，完美避开了其缺陷

4.stack、queue、priority_queue模拟实现

（1）stack

cpp 复制代码 
#pragma once
#include<deque>

// 类模板实例化时按需实例化，使用哪些成员函数就实例化哪些成员函数
namespace zsy {
	// 容器适配器
	// Container适配转换出stack
	template<class T, class Container = vector<T>>
	class stack {
	public:
		// 构造函数不需要写，_con是自定义类型，会调用自己的默认构造
		void push(const T& x) {
			// 将尾当做栈顶，尾插即为入栈
			_con.push_back(x);
		}

		void pop() {
			_con.pop_back();
		}

		const T& top() const {
			return _con.back();
		}

		size_t size() const {
			return _con.size();
		}

		bool empty() const {
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

（2）queue

cpp 复制代码 
#pragma once
#include<deque>

namespace zsy {
	// 容器适配器
	// Container适配转换出queue
	template<class T, class Container = list<T>>
	class queue {
	public:
		// 构造函数不需要写，_con是自定义类型，会调用自己的默认构造
		void push(const T& x) {
			// 尾插即为入队
			_con.push_back(x);
		}

		void pop() {
			_con.pop_front();
		}

		const T& front() const {
			return _con.front();
		}
		
		const T& back() const {
			return _con.back();
		}

		size_t size() const {
			return _con.size();
		}

		bool empty() const {
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

（3）priority_queue

cpp 复制代码 
#pragma once

#include<vector>

// 仿函数：本质是一个类，内部重载了operator()，它的对象可以像函数一样使用
template<class T>
class Less {
public:
	bool operator()(const T& x, const T& y) {
		return x < y;
	}
};

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

namespace zsy {
	// 默认是大堆，Compare传Less
	template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = Less<T>>
	class priority_queue {
	public:
		void AdjustUp(int child) {
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0) {
				if (com(_con[parent], _con[child])) {
					swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else {
					break;
				}
			}
		}

		// 认为插入数据之前，_con中已有数据已经是堆
		void push(const T& x) {
			_con.push_back(x);
			AdjustUp(_con.size() - 1);
		}

		void AdjustDown(int parent) {
			Compare com;
			// 假设法：假设左孩子小
			size_t child = parent * 2 + 1;
			// 当child>=_con.size()时说明已经调整到位
			while (child < _con.size()) {
				// 找出实际上更小的孩子
				if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])) {
					++child;
				}

				if (com(_con[parent], _con[child])) {
					swap(_con[child], _con[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else {
					break;
				}
			}
		}

		void pop() {
			// 交换首尾数据
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			// 此时最大的数据在最后一个元素位置，删除最后一个数据
			_con.pop_back();
			AdjustDown(0);
		}

		const T& top() {
			return _con[0];
		}

		size_t size() {
			return _con.size();
		}

		bool empty() {
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}
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