C++ 入门18：STL 容器之栈（stack）与队列（queue）

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往期回顾：

C++ 入门15：STL 容器之列表（list）_c++列表-优快云博客

C++ 入门16：STL 容器之集合（set）与多重集合（multiset）_stl 集合-优快云博客

C++ 入门17：STL 容器之映射（map）与多重映射（multimap）_c++ 17 -优快云博客

C++ 入门18：STL 容器之栈（stack）与队列（queue）

1. 什么是栈（stack）

栈（Stack）是一种遵循先进后出（LIFO，Last In First Out）原则的线性数据结构。在栈中，元素的插入和删除操作都发生在栈的顶部。栈的常见应用包括函数调用栈、表达式求值等。

基本特性

插入和删除操作都发生在栈顶。
后插入的元素先被删除。

栈的基本操作

引入头文件

在使用栈之前，需要引入头文件 <stack>。

#include <stack>

创建栈

我们可以通过默认构造函数创建一个空栈，也可以使用初始化列表创建栈。

示例代码：

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

int main() {
    stack<int> intStack; // 创建一个空栈

    // 向栈中压入元素
    intStack.push(10);
    intStack.push(20);
    intStack.push(30);

    return 0;
}

常用成员函数

push()：向栈中压入一个元素。

pop()：从栈中弹出栈顶元素。

top()：访问栈顶元素。

empty()：检查栈是否为空。

size()：返回栈中的元素个数。

示例代码：

stack<int> intStack;

intStack.push(10);
intStack.push(20);
intStack.push(30);

cout << "Top of the stack: " << intStack.top() << endl; // 输出 30

intStack.pop(); // 弹出栈顶元素

cout << "Top of the stack after pop: " << intStack.top() << endl; // 输出 20

cout << "Stack size: " << intStack.size() << endl; // 输出 2

if (intStack.empty()) {
    cout << "The stack is empty!" << endl;
} else {
    cout << "The stack is not empty!" << endl;
}

栈的应用

栈常用于处理递归问题、表达式的求值等。例如，括号匹配问题、逆波兰表达式的计算等，都可以用栈来解决。

2. 什么是队列（queue）

队列（Queue）是一种遵循先进先出（FIFO，First In First Out）原则的线性数据结构。在队列中，元素的插入发生在队尾，删除发生在队头。队列的常见应用包括任务调度、打印队列等。

基本特性

插入操作发生在队尾。

删除操作发生在队头。

先进先出（FIFO）。

队列的基本操作

引入头文件

在使用队列之前，需要引入头文件 <queue>。

#include <queue>

创建队列

我们可以通过默认构造函数创建一个空队列，也可以使用初始化列表创建队列。

示例代码：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
    queue<int> intQueue; // 创建一个空队列

    // 向队列中压入元素
    intQueue.push(10);
    intQueue.push(20);
    intQueue.push(30);

    return 0;
}

常用成员函数

push()：向队列中压入一个元素。

pop()：从队列中弹出队头元素。

front()：访问队头元素。

back()：访问队尾元素。

empty()：检查队列是否为空。

size()：返回队列中的元素个数。

示例代码：

queue<int> intQueue;

intQueue.push(10);
intQueue.push(20);
intQueue.push(30);

cout << "Front of the queue: " << intQueue.front() << endl; // 输出 10
cout << "Back of the queue: " << intQueue.back() << endl; // 输出 30

intQueue.pop(); // 弹出队头元素

cout << "Front of the queue after pop: " << intQueue.front() << endl; // 输出 20

cout << "Queue size: " << intQueue.size() << endl; // 输出 2

if (intQueue.empty()) {
    cout << "The queue is empty!" << endl;
} else {
    cout << "The queue is not empty!" << endl;
}

队列的应用

队列常用于排队问题、任务调度等场景。例如，操作系统中的进程调度通常使用队列，消息队列用于线程间通信等。

3. 栈（stack）与队列（queue）的区别

特性	栈（stack）	队列（queue）
数据结构类型	LIFO（后进先出）	FIFO（先进先出）
元素插入	在栈顶插入元素	在队尾插入元素
元素删除	在栈顶删除元素	在队头删除元素
常见应用	表达式求值、括号匹配、递归等	任务调度、进程调度、消息队列等

4. 栈与队列的高级应用

栈的高级应用：括号匹配

栈常用于括号匹配问题，例如判断一个字符串中的括号是否正确配对。

示例代码：

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>
using namespace std;

bool isValidParentheses(const string& s) {
    stack<char> stack;
    for (char c : s) {
        if (c == '(') {
            stack.push(c);
        } else if (c == ')') {
            if (stack.empty()) {
                return false;
            }
            stack.pop();
        }
    }
    return stack.empty();
}

int main() {
    string s = "(()())";
    if (isValidParentheses(s)) {
        cout << "Valid parentheses" << endl;
    } else {
        cout << "Invalid parentheses" << endl;
    }
    return 0;
}

队列的高级应用：任务调度

队列常用于任务调度，例如操作系统中的进程调度通常使用队列来实现。

示例代码：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
    queue<string> taskQueue;

    // 模拟任务入队
    taskQueue.push("Task 1");
    taskQueue.push("Task 2");
    taskQueue.push("Task 3");

    // 处理任务
    while (!taskQueue.empty()) {
        cout << "Processing " << taskQueue.front() << endl;
        taskQueue.pop(); // 任务出队
    }

    return 0;
}