C++——stack和queue_c++ queue和stack-优快云博客

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

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;
};

思路：

我们通过一个栈来存放栈最小元素，只要入栈就与最小栈的栈顶(一定为最小值)比较，比最小栈的栈顶小就入栈否则不入栈，如果最小栈顶的元素等于出栈的元素，最小顶的元素要移除

栈的弹出压入序列

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;
	}
};

思路：模拟出栈过程

1.入栈序列不断入栈

2.栈顶数据和出栈顺序比较：

a.相等则出栈序列往后走，栈出栈，再次比较。

b.不相等则重复第一步。

结束条件：入栈序列结束。

匹配：栈为空，或者出栈序列走到尾；不匹配：栈不为空，或者出栈序列没走到尾。

二、queue

2.1 queue的介绍

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

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 。

三、priority_queue的介绍和使用

3.1 priority_queue的介绍

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。元素从特定容器的“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

5. 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。

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。

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()/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

#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;
}

2. 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。

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;
}

四、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) (迭代器也是一种设计模式)，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

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：

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。

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

4.4 deque的优点

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：

1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行作。

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，而完美的避开了其缺陷。

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

template<class T,class Con =deque<T>>
class stack {
public:
	stack()
	{

	}
	void push(const T& x)
	{
		_st.push_back(x);
	}

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

	T& top()
	{
		return _st.back();
	}

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

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

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


private:
	Con _st;
};

4.5.2 queue的模拟实现

template<class T, class Con = deque<T>>
class queue {
public:
	queue()
	{

	}
	void push(const T& x)
	{
		_qe.push_back(x);
	}

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

	T& front()
	{
		return _qe.front();
	}

	const T& front()const
	{
		return _qe.front();
	}

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

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


private:
	Con _qe;