18.C++入门：stack和queue|priority_queue|容器适配器|deque

stack的介绍和使用

stack的介绍

stack的文档介绍j

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

155. 最小栈 - 力扣（LeetCode）

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;  
};

栈的压入、弹出序列_牛客题霸_牛客网

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;  
	}  
};

150. 逆波兰表达式求值 - 力扣（LeetCode）

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();  
	}  
};

232. 用栈实现队列 - 力扣（LeetCode）

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。

#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;  
	};  
}

queue的介绍和使用

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。
   

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
225. 用队列实现栈 - 力扣（LeetCode）

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

#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;  
	};  
}

priority_queue的介绍和使用

priority_queue的介绍

cplusplus.com/reference/queue/priority_queue/

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。

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;  
}

在OJ中的使用

215. 数组中的第K个最大元素 - 力扣（LeetCode）

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();  
	} 
};

priority_queue的模拟实现

通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对堆进行通用的封装即可。

#pragma once

namespace bit
{
	//template<class T, class Container = vector<T>>
	template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		void adjust_up(int child)
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//if (_con[child] > _con[parent])
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}

		void adjust_down(int parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			Compare com;
			
			while (child < _con.size())
			{
				//if (child + 1 < _con.size() && _con[child + 1] > _con[child])
				if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
				{
					++child;
				}

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

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

			adjust_up(_con.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();

			adjust_down(0);
		}

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

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

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

容器适配器

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。

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：

deque的简单介绍

• vector
  优点：
  1、下标随机访问
  2、缓存命中
  物理结构连续存储的优势
  缺点：
  1、前面部分插入删除效率低
  2、扩容有消耗
• list
  优点：
  1、任意位置插入删除效率高
  2、按需申请释放
  缺点：
  1、不支持下标随机访问
  2、缓存命中率低
  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：

• 优势：
  头插头删，尾插尾删很不错
• 不足：
  随机访问，如何计算？
  访问第 i 个值，【假设保持每个 buff 一样大，都是 10】
  如果第一个 buff 不是从头开始的，不在第一个 buff，那么 i←第一个 buff 的数据个数
  第 i/10 个 buff 中
  在这个 buff 的第 i%10 位置
  中间插入删除如何实现
  如要保持每个 buff 一样大，只能挪动数据
  如果不需要保持每个 buff 一样大，可以对当前 buff，扩容或者挪动数据
• 结论：
  1、下标随机访问，效率不错，但是跟 vector 仍有差距
  2、中间插入删除，效率挺差
  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呢？

class deque { 
	iterator start;  // 指向第一个buff, cur指向这个buff的第一个数据 
	iterator finish; // 指向最后一个buff, cur指向这个buff的最后一个数据的下一个位置 };

iterator it = begin(); 

while(it!= end()) 
{ 
	*it; 
	++it; 
}

• first 指向一个 buff 的开始
• last 指向一个 buff 的结束
• cur 指向 buff 中一个数据
• node 指向存储当前 buff 指针的中控位置
  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。

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：

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，而完美的避开了其缺陷

STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

stack的模拟实现

#pragma once

namespace bit
{
	//template<class T>
	//class stack
	//{
	//	// ...
	//private:
	//	T* _a;
	//	size_t _top;
	//	size_t _capacity;
	//};

	template<class T, class Container = deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

queue的模拟实现

#pragma once

namespace bit
{
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

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

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

test.cpp

#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
#include<vector>
#include<list>
using namespace std;

#include"stack.h"
#include"queue.h"

//int main()
//{
//	bit::stack<int, vector<int>> s;
//	//bit::stack<int, list<int>> s;
//	//bit::stack<int, deque<int>> s;
//	//bit::stack<int> s;
//
//	s.push(1);
//	s.push(2);
//	s.push(3);
//	s.push(4);
//
//	while (!s.empty())
//	{
//		cout << s.top() << " ";
//		s.pop();
//	}
//	cout << endl;
//
//	return 0;
//}


//int main()
//{
//	//bit::queue<int> q;
//	// 
//	// vector不能适配
//	//bit::queue<int, vector<int>> q;
//	bit::queue<int, list<int>> q;
//
//	q.push(1);
//	q.push(2);
//	q.push(3);
//	q.push(4);
//
//	while (!q.empty())
//	{
//		cout << q.front() << " ";
//		q.pop();
//	}
//	cout << endl;
//
//	return 0;
//}

//仿函数/函数对象
namespace bit
{
	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;
		}
	};
}

template<class Comapre>
class A
{
public:
	void func(int xx, int yy)
	{
		Comapre com;
		cout << "void func(int xx, int yy)" << com(xx, yy) << endl;;
	}
};

int main()
{
	A<bit::less<int>> aa1;
	aa1.func(1, 2);

	A<bit::greater<int>> aa2;
	aa2.func(1, 2);

	/*bit::less lessFunc;
	cout << lessFunc(1, 2) << endl;
	cout << lessFunc.operator()(1, 2) << endl;*/

	// 默认是大堆，大的优先级高
	//bit::priority_queue<int> pq;
	////priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;

	//pq.push(1);
	//pq.push(2);
	//pq.push(6);
	//pq.push(2);
	//pq.push(3);

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

	return 0;
}

//1. 函数指针类型写起来相对复杂
//2. 只能通过函数参数来传递
//bool lessfc(int x, int y)
//{
//	return x < y;
//}
//
//bool  greaterfc(int x, int y)
//{
//	return x > y;
//}
//
//// A这个类要回调
//class A
//{
//public:
//	A(bool(*pf)(int, int))
//		:_pf(pf)
//	{}
//
//	void func(int xx, int yy)
//	{
//		cout << "void func(int xx, int yy)" << _pf(xx, yy) << endl;;
//	}
//
//	bool(*_pf)(int, int);
//};
//
//int main()
//{
//	A aa1(lessfc);
//	aa1.func(1, 2);
//
//	A aa2(greaterfc);
//	aa2.func(1, 2);
//}