C++ STL容器适配器：掌握stack、queue和priority_queue，让你的代码更加优雅高效

小河cpp

已于 2024-07-23 21:04:48 修改

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文章标签： c++ 算法数据结构

于 2024-07-23 21:04:13 首次发布

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在C++标准模板库（STL）中，容器适配器是一种特殊的容器，它们在现有容器的基础上提供了一套特定的接口，以实现特定的功能。今天，我们将深入探讨三种常用的容器适配器：stack、queue和priority_queue。这些工具不仅能让我们的代码更加简洁，还能大大提高处理特定问题的效率。

1. Stack（栈）

stack是一种后进先出（LIFO）的数据结构。它只允许在一端（通常称为栈顶）进行插入和删除操作。

主要操作：

push(): 将元素压入栈顶
pop(): 移除栈顶元素
top(): 访问栈顶元素
empty(): 检查栈是否为空
size(): 返回栈中元素个数

示例代码：

#include <iostream>
#include <stack>

void demonstrateStack() {
    std::stack<int> s;

    // 压入元素
    s.push(10);
    s.push(20);
    s.push(30);

    std::cout << "Stack size: " << s.size() << std::endl;
    std::cout << "Top element: " << s.top() << std::endl;

    // 弹出元素
    s.pop();
    std::cout << "After pop, top element: " << s.top() << std::endl;

    // 检查是否为空
    std::cout << "Is stack empty? " << (s.empty() ? "Yes" : "No") << std::endl;
}

2. Queue（队列）

queue是一种先进先出（FIFO）的数据结构。它只允许在一端（队尾）添加元素，在另一端（队首）删除元素。

主要操作：

push(): 在队尾插入元素
pop(): 移除队首元素
front(): 访问队首元素
back(): 访问队尾元素
empty(): 检查队列是否为空
size(): 返回队列中元素个数

示例代码：

#include <iostream>
#include <queue>

void demonstrateQueue() {
    std::queue<int> q;

    // 插入元素
    q.push(10);
    q.push(20);
    q.push(30);

    std::cout << "Queue size: " << q.size() << std::endl;
    std::cout << "Front element: " << q.front() << std::endl;
    std::cout << "Back element: " << q.back() << std::endl;

    // 移除元素
    q.pop();
    std::cout << "After pop, front element: " << q.front() << std::endl;

    // 检查是否为空
    std::cout << "Is queue empty? " << (q.empty() ? "Yes" : "No") << std::endl;
}

3. Priority Queue（优先队列）

priority_queue是一种特殊的队列，它能够自动将优先级最高的元素放到队首。默认情况下，优先队列使用 std::less 作为比较函数，即最大元素具有最高优先级。

主要操作：

push(): 插入元素
pop(): 移除具有最高优先级的元素
top(): 访问具有最高优先级的元素
empty(): 检查优先队列是否为空
size(): 返回优先队列中元素个数

示例代码：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <vector>

void demonstratePriorityQueue() {
    // 默认最大堆
    std::priority_queue<int> pq;

    // 插入元素
    pq.push(30);
    pq.push(10);
    pq.push(20);

    std::cout << "Priority Queue size: " << pq.size() << std::endl;
    std::cout << "Top element: " << pq.top() << std::endl;

    // 移除元素
    pq.pop();
    std::cout << "After pop, top element: " << pq.top() << std::endl;

    // 创建最小堆
    std::priority_queue<int, std::vector<int>, std::greater<int>> minHeap;
    minHeap.push(30);
    minHeap.push(10);
    minHeap.push(20);

    std::cout << "Min heap top element: " << minHeap.top() << std::endl;
}

容器适配器的优势

抽象性：提供了高层次的抽象，使得代码更加清晰和易于理解。
封装性：隐藏了底层容器的细节，提供了一致的接口。
灵活性：可以选择不同的底层容器来实现，以满足特定的性能需求。
效率：针对特定问题提供了高效的解决方案。

实际应用示例

让我们通过一个简单的问题来展示这些容器适配器的实际应用：

问题：给定一系列整数，实现以下功能：

按输入顺序存储这些整数
能够快速获取最近输入的整数
能够快速获取当前最大的整数

解决方案：

#include <iostream>
#include <stack>
#include <queue>
#include <vector>

class NumberManager {
private:
    std::queue<int> inputOrder;
    std::stack<int> recentNumbers;
    std::priority_queue<int> maxNumbers;

public:
    void addNumber(int num) {
        inputOrder.push(num);
        recentNumbers.push(num);
        maxNumbers.push(num);
    }

    int getMostRecent() {
        if (!recentNumbers.empty()) {
            return recentNumbers.top();
        }
        throw std::runtime_error("No numbers available");
    }

    int getMax() {
        if (!maxNumbers.empty()) {
            return maxNumbers.top();
        }
        throw std::runtime_error("No numbers available");
    }

    void printInputOrder() {
        std::queue<int> temp = inputOrder;
        std::cout << "Input order: ";
        while (!temp.empty()) {
            std::cout << temp.front() << " ";
            temp.pop();
        }
        std::cout << std::endl;
    }
};

int main() {
    NumberManager manager;

    manager.addNumber(5);
    manager.addNumber(2);
    manager.addNumber(8);
    manager.addNumber(1);

    manager.printInputOrder();
    std::cout << "Most recent number: " << manager.getMostRecent() << std::endl;
    std::cout << "Maximum number: " << manager.getMax() << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中：