目录
- [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)
- [3.1 priority_queue的介绍和使用](#3.1 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 在OJ中的使用](#3.3 在OJ中的使用)
- [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)
- [4.4 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)
1. stack的介绍和使用
1.1 stack的介绍
stack的文档介绍 cplusplus.com/reference/stack/stack/?kw=stack
\[\]
1.2 stack的使用
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| stack | 构造空的栈 |
| empty | 检测 stack 是否为空 |
| size | 返回 stack 中元素的个数 |
| top | 返回栈顶元素的引用 |
| push | 将元素 val 压入 stack 中 |
| pop | 将 stack 中尾部的元素弹出 |
最小栈
cpp
class MinStack
{
public:
void push(int x)
{
// 只要是压栈，先将元素保存到_elem中
_elem.push(x);
// 如果x小于_min中栈顶的元素，将x再压入_min中
if (_min.empty() || x <= _min.top())
_min.push(x);
}
void pop()
{
// 如果_min栈顶的元素等于出栈的元素，_min顶的元素要移除
if (_min.top() == _elem.top())
_min.pop();
_elem.pop();
}
int top() { return _elem.top(); }
int getMin() { return _min.top(); }
private:
// 保存栈中的元素
std::stack<int> _elem;
// 保存栈的最小值
std::stack<int> _min;
};栈的弹出压入序列
cpp
class Solution
{
public:
bool IsPopOrder(vector<int> pushV, vector<int> popV)
{
// 入栈和出栈的元素个数必须相同
if (pushV.size() != popV.size())
return false;
// 用s来模拟入栈与出栈的过程
int outIdx = 0;
int inIdx = 0;
stack<int> s;
while (outIdx < popV.size())
{
// 如果s是空，或者栈顶元素与出栈的元素不相等，就入栈
while (s.empty() || s.top() != popV[outIdx])
{
if (inIdx < pushV.size())
s.push(pushV[inIdx++]);
else
return false;
}
// 栈顶元素与出栈的元素相等，出栈
s.pop();
outIdx++;
}
return true;
}
};逆波兰表达式求值
cpp
class Solution
{
public:
int evalRPN(vector<string>& tokens)
{
stack<int> s;
for (size_t i = 0; i < tokens.size(); ++i)
{
string& str = tokens[i];
// str为数字
if (!("+" == str || "-" == str || "*" == str || "/" == str))
{
s.push(atoi(str.c_str()));
}
else
{
// str为操作符
int right = s.top();
s.pop();
int left = s.top();
s.pop();
switch (str[0])
{
case '+':
s.push(left + right);
break;
case '-':
s.push(left - right);
break;
case '*':
s.push(left * right);
break;
case '/':
// 题目说明了不存在除数为0的情况
s.push(left / right);
break;
}
}
}
return s.top();
}
};练习：
用两个栈实现队列
1.3 stack的模拟实现
从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的 vector，因此使用 vector 完全可以模拟实现 stack。
cpp
#include <vector>
namespace bite
{
template<class 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:
std::vector<T> _c;
};
}2. queue的介绍和使用
2.1 queue的介绍
queue的文档介绍 cplusplus.com/reference/queue/queue/
翻译
- 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。
- 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。 - 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的个数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
- 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。
2.2 queue的使用
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| queue | 构造空的队列 |
| empty | 检测队列是否为空，是返回 true，否则返回 false |
| size | 返回队列中有效元素的个数 |
| 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 | 将队头元素出队列 |
练习：
用队列实现栈
2.3 queue的模拟实现
因为 queue 的接口中存在头删和尾插，因此使用 vector 来封装效率太低，故可以借助 list 来模拟实现 queue，具体如下：
cpp
#include <list>
namespace bite
{
template<class 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:
std::list<T> _c;
};
}3.1 priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue的介绍
priority_queue文档介绍 cplusplus.com/reference/queue/priority_queue/
翻译
- 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。
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。
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| priority_queue | 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 | 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
- 默认情况下，
priority_queue是大堆。
cpp
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
// 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，将第三个模板参数换成greater比较方式
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
cout << q2.top() << endl;
}- 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
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)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{
// 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(2018, 10, 29));
q1.push(Date(2018, 10, 28));
q1.push(Date(2018, 10, 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(2018, 10, 29));
q2.push(Date(2018, 10, 28));
q2.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q2.top() << endl;
}3.3 在OJ中的使用
数组中第K个大的元素
215. 数组中的第K个最大元素 - 力扣（LeetCode）
cpp
class Solution
{
public:
int findKthLargest(vector<int>& nums, int k)
{
// 将数组中的元素先放入优先级队列中
priority_queue<int> p(nums.begin(), nums.end());
// 将优先级队列中前k-1个元素删除掉
for (int i = 0; i < k - 1; ++i)
{
p.pop();
}
return p.top();
}
};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。
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 和队列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（了解）
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的呢？
4.3.2 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 的迭代器要频繁地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：
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，而完美地避开了其缺陷。
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
cpp
#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
{
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;
};
}4.5.2 queue的模拟实现
cpp
#include <deque>
#include <list>
namespace bite
{
template<class T, class Con = deque<T>>
// template<class T, class Con = list<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;
};
}