C++容器适配器

一、标准库顺序容器适配器的种类
标准库提供了三种顺序容器适配器:queue(FIFO队列)、priority_queue(优先级队列)、stack(栈)

二、什么是容器适配器

首先,我们要明白适配器是干什么的?其实就是一个接口转换装置,是得我们能用特定的方法去操作一些我们本来无法操作的东西。举一个例子,比如你的一个设备支持串口线,而你的电脑支持的是usb口,这时候,我们没有必要重新买一个支持usb的设备,只需要一根串口转usb口的小玩意,让你的设备能够连接到usb插口上,而它就是适配器。
那么C++中的容器适配器是干什么的呢?可以做一个类比,我们已有的容器(比如vector、list、deque)就是设备,这个设备支持的操作很多,比如插入,删除,迭代器访问等等。而我们希望这个容器表现出来的是栈的样子:先进后出,入栈出栈等等,此时,我们没有必要重新动手写一个新的数据结构,而是把原来的容器重新封装一下,改变它的接口,就能把它当做栈使用了。
言归正传,理解了什么是适配器以后,其实问题就很简单的。C++中定义了3种容器适配器,它们让容器提供的接口变成了我们常用的的3种数据结构:栈(先进后出)队列(先进先出)和优先级队列(按照优先级(“<”号)排序,而不是按照到来的顺序排序)。
至于具体是怎么变的,我们可以先了解一个大概:默认情况下,栈和队列都是基于deque实现的,而优先级队列则是基于vector实现的。当然,我们也可以指定自己的实现方式。但是由于数据结构的关系,我们也不能胡乱指定。栈的特点是后进先出,所以它关联的基本容器可以是任意一种顺序容器,因为这些容器类型结构都可以提供栈的操作有求,它们都提供了push_back、pop_back和back操作。 队列queue的特点是先进先出,适配器要求其关联的基础容器必须提供pop_front操作,因此其不能建立在vector容器上;对于优先级队列,由于它要求支持随机访问的功能,所以可以建立在vector或者deque上,不能建立在list上。

三、容器适配器
要使用适配器,需要加入一下头文件:

#include <stack>        //stack
#include<queue>       //queue、priority_queue
种类默认顺序容器可用顺序容器说明
stackdequevector、list、deque
queuedequelist、deque基础容器必须提供push_front()运算
priority_queuevectorvector、deque基础容器必须提供随机访问功能

四、定义适配器

1、初始化
 stack<int> stk(dep);
2、覆盖默认容器类型
 stack<int,vector<int> > stk;

五、容器适配器的使用

1、下面的程序读入一系列单词存储在stack中,然后再显示输入的单词。

#include <iostream>
#include <stack>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
    stack<string> words;
    string str;
    cout<<"Enter some words(Ctrl + Z to end):"<<endl;
    while(cin >> str)
    {
        words.push(str);
    }
    while(words.empty() == false)
    {
        cout<<words.top()<<endl;
        words.pop();
    }
    return 0;
}
<think>好的,我现在需要详细讲解C++中的容器适配器,包括stack、queue和priority_queue。首先,我应该回顾用户提供的引用内容,确保准确引用相关信息。用户已经给出了一些引用资料,其中提到了容器适配器的基本概念、实现方式以及各个适配器的特点。 首先,我需要明确容器适配器的定义。根据引用[1],容器适配器是一种将现有容器转换为特定接口(如栈、队列、优先级队列)的机制。它们不自己管理数据,而是通过封装一个底层容器来提供新的功能。接下来,我需要分别介绍stack、queue和priority_queue,包括它们的特点、常用方法和底层实现。 对于stack,引用[1]提到它是先进后出(FILO)的结构,底层容器需要支持push_back和pop_back,因此可以是vector、deque或list。不过引用[3]指出不能使用vector作为适配器,因为vector不支持头删,但stack只需要尾插和尾删,所以这里可能存在误解。需要确认正确性,可能引用[3]中的描述有误,或者是指queue的情况? 然后是queue,引用[1]和引用[3]提到queue是先进先出(FIFO),需要支持pop_front和push_back,因此底层容器不能是vector(因为vector不支持头删),通常使用deque或list。引用[5]展示了queue的模拟实现,使用deque作为默认容器。 接下来是priority_queue,引用[1]和引用[4]指出它需要支持随机访问,因此底层容器通常是vector或deque。priority_queue通过堆算法实现,元素按优先级顺序出队。引用[4]还提到了初始化时建堆的过程,这涉及到向下调整算法(adjust_down)。 在结构上,应该按照每个容器适配器分点讲解,包括介绍、底层容器、常用接口、实现细节和应用场景。同时需要对比它们之间的区别,例如底层容器的选择原因,时间复杂度等。 需要注意用户之前的提问关于list的详解,现在转向容器适配器,可能需要强调适配器容器的不同,即适配器是包装现有容器提供特定接口。同时,用户可能对如何选择底层容器感兴趣,例如为什么stack默认使用deque,而priority_queue使用vector。 需要确保引用正确的来源,例如在讨论stack的底层容器时,引用[1]指出可以使用支持push_back和pop_back的容器,而引用[3]提到不能使用vector作为适配器,可能是指queue的情况,这里需要澄清,避免混淆。 另外,用户可能关心容器适配器的实现方式,例如如何通过封装底层容器的方法来提供适配器的接口。例如,stack的push方法调用底层容器的push_back,pop调用pop_back等。模拟实现的代码示例可以帮助理解,如引用[3]和[5]中的代码片段。 最后,生成相关问题时要围绕容器适配器的特点、实现、使用场景和比较,例如与直接使用底层容器的区别,如何自定义适配器的底层容器等。</think>### C++ 容器适配器详解:stack、queue、priority_queue #### 一、容器适配器基础概念 容器适配器是**基于现有容器封装**的特殊数据结构,通过限制或扩展接口实现特定功能,不直接管理内存,而是依赖底层容器存储数据[^1][^2]。核心特点: - 提供受限的接口(如栈的先进后出) - 底层容器可指定(需满足特定操作要求) - 包含在`<stack>`、`<queue>`头文件中 $$ \text{适配器} = \text{现有容器} + \text{特定接口限制} $$ --- #### 二、三大容器适配器详解 ##### 1. **stack(栈)** - **特性**:先进后出(FILO),仅允许在栈顶操作 - **底层容器**:需支持`push_back()`、`pop_back()`,默认使用`deque`,也可选`vector`或`list`[^1][^3] - **核心操作**: ```cpp stack<int> s; s.push(10); // 压栈 $O(1)$ s.pop(); // 弹栈 $O(1)$ s.top(); // 查看栈顶 $O(1)$ ``` - **实现原理**: ```cpp template<class T, class Container = deque<T>> class stack { private: Container _c; // 底层容器 public: void push(const T& val) { _c.push_back(val); } void pop() { _c.pop_back(); } }; ``` ##### 2. **queue(队列)** - **特性**:先进先出(FIFO),队尾插入、队头删除 - **底层容器**:需支持`push_back()`和`pop_front()`,默认使用`deque`,不可用`vector`(无`pop_front()`)[^1][^5] - **核心操作**: ```cpp queue<int> q; q.push(20); // 入队 $O(1)$ q.pop(); // 出队 $O(1)$ q.front(); // 队首元素 $O(1)$ ``` - **实现差异**: ```cpp template<class T, class Container = deque<T>> class queue { public: void pop() { _c.pop_front(); } // 依赖底层容器的头删操作 }; ``` ##### 3. **priority_queue(优先级队列)** - **特性**:元素按优先级排序,**堆结构**实现,默认大根堆 - **底层容器**:需支持随机访问(`operator[]`),默认使用`vector`,也可选`deque`[^4][^1] - **核心操作**: ```cpp priority_queue<int> pq; pq.push(30); // 插入 $O(\log n)$ pq.pop(); // 删除堆顶 $O(\log n)$ pq.top(); // 查看堆顶 $O(1)$ ``` - **堆维护**(引用[4]): ```cpp // 向下调整算法 void adjust_down(int parent) { size_t child = parent * 2 + 1; while (child < _con.size()) { if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child+1]) ++child; if (_con[parent] < _con[child]) { swap(_con[parent], _con[child]); parent = child; child = parent * 2 + 1; } else break; } } ``` --- #### 三、底层容器选择对比 $$ \begin{array}{|l|c|c|c|} \hline \text{适配器} & \text{默认容器} & \text{可选容器} & \text{关键操作要求} \\ \hline stack & deque & vector/list & push_back/pop_back \\ queue & deque & list & push_back/pop_front \\ priority\_queue & vector & deque & 随机访问 + 堆操作 \\ \hline \end{array} $$ **为什么选择deque作为stack/queue默认容器?**[^2][^5] - 综合vector和list的优点 - 内存分段连续,扩容成本低 - 同时高效支持头尾操作 --- #### 四、应用场景 1. **stack**:函数调用栈、括号匹配、表达式求值 2. **queue**:消息队列、BFS算法、任务调度 3. **priority_queue**:任务优先级调度、Dijkstra算法、TopK问题 ```cpp // 示例:用stack实现括号匹配 bool is_valid(string s) { stack<char> st; for (char c : s) { if (c == '(' || c == '[') st.push(c); else { if (st.empty()) return false; if ((c == ')' && st.top() != '(') || (c == ']' && st.top() != '[')) return false; st.pop(); } } return st.empty(); } ``` --- #### 五、自定义适配器 可通过模板参数更换底层容器: ```cpp stack<int, list<int>> custom_stack; // 使用list实现的栈 priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> min_heap; // 小根堆 ``` --- ### 相关问题 1. 为什么priority_queue默认使用vector而不是deque作为底层容器? 2. 如何用list实现queue适配器? 3. 容器适配器与直接使用底层容器的主要区别是什么? 4. stack的`top()`方法在不同底层容器下的时间复杂度是否相同? --- [^1]: 容器适配器基础特性与实现要求 [^2]: deque作为默认容器的优势分析 [^3]: stack/queue的底层容器限制 [^4]: priority_queue的堆维护算法 [^5]: queue的模拟实现示例
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