C++ stack和queue类
引言
C++标准库（STL）为我们提供了stack和queue的现成实现，使得开发者无需从头编写这些数据结构，可以直接使用它们来处理各种问题。本文将详细介绍stack和queue的基本概念、使用方法以及如何模拟实现它们。此外，我们还将探讨priority_queue（优先队列）和deque（双端队列）的相关知识，帮助读者更好地理解这些容器适配器的底层机制和适用场景。
目录
1. stack
1.1 stack的介绍
和C语言一样LIFO（后进先出）的数据结构
1.2 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中顶部的元素弹出 |
1.3 stack的模拟实现
从栈的接口可以看出，栈实际上是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。
#include<vector>
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;
};
2. queue
2.1 queue的介绍
-
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。
-
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。
-
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
-
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。
2.2 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 |
| 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插入队列 |
| pop() | 在队头元素val踢出队列 |
2.3 queue的模拟实现
因为queue的接口中存在头删和尾插，使用vector封装效率太低，所以选择使用list来模拟实现queue
#include <list>
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;
};
3. priority_queue
3.1priority_queue的介绍
-
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。
-
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)。
-
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。
-
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
-
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。
-
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。
| 函数说明 | 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 |
| 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：
- 默认情况下，priority_queue是大堆。
- 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
operator>或operator<。
3.3 priority_queue的模拟实现
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
// priority_queue--->堆
template<class T>
struct less
{
bool operator()(const T& left, const T& right)
{
return left < right;
}
};
template<class T>
struct greater
{
bool operator()(const T& left, const T& right)
{
return left > right;
}
};
template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
class priority_queue
{
public:
// 创造空的优先级队列
priority_queue() : c() {}
template<class Iterator>
priority_queue(Iterator first, Iterator last)
: c(first, last)
{
// 将c中的元素调整成堆的结构
int count = c.size();
int root = ((count - 2) >> 1);
for (; root >= 0; root--)
AdjustDown(root);
}
void push(const T& data)
{
c.push_back(data);
AdjustUP(c.size() - 1);
}
void pop()
{
if (empty())
return;
swap(c.front(), c.back());
c.pop_back();
AdjustDown(0);
}
size_t size()const
{
return c.size();
}
bool empty()const
{
return c.empty();
}
// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性
const T& top()const
{
return c.front();
}
private:
// 向上调整
void AdjustUP(int child)
{
int parent = ((child - 1) >> 1);
while (child)
{
if (Compare()(c[parent], c[child]))
{
swap(c[child], c[parent]);
child = parent;
parent = ((child - 1) >> 1);
}
else
{
return;
}
}
}
// 向下调整
void AdjustDown(int parent)
{
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < c.size())
{
// 找以parent为根的较大的孩子
if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))
child += 1;
// 检测双亲是否满足情况
if (Compare()(c[parent], c[child]))
{
swap(c[child], c[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
return;
}
}
private:
Container c;
};
4. deque
4.1 deque的介绍
适配器是一种设计模式，这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。
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queue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。
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：
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：
depue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，因此其效率是比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：
- 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。
- 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。
4.2 deque，vector，list 优缺点总结
| 类 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| vector | 1. 尾插尾删效率不错，支持高效下标随机访问 2.物理空间连续，所以高速缓存利用率高 | 1. 空间需要扩容，扩容有一些代价(效率和空间浪费) 2.头部和中间插入删除效率低 |
| list | 1. 按需申请释放空间，不需要扩容 2.任意位置插入删除 | 1. 不支持下标随机访问 |
| deque | 1. 相较于vector和list头插尾插效率很高 2. 下标随机访问还不错，但是比vector差点 | 1. 中间插入删除效率很低，要挪动数据，时间复杂度为O(N) |
仿函数
仿函数：本质是一个类，这个类重载
operator()，他的对象可以像函数一样使用。
代码示例——可通过传参快速切换排序方向
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;
}
};
// 冒泡排序 < 升序 > 降序
template<class Compare>
void BubbleSort(int* a, int n, Compare com)
{
for (int j = 0; j < n; j++)
{
// 单趟
int flag = 0;
for (int i = 1; i < n - j; i++)
{
//if (a[i] < a[i - 1])
if (com(a[i], a[i - 1]))
{
swap(a[i - 1], a[i]);
flag = 1;
}
}
if (flag == 0)
{
break;
}
}
}
int main()
{
//用类实例化对象
Less<int> LessFunc;
Greater<int> GreaterFunc;
//对象调用函数
cout << LessFunc(1, 2) << endl;
cout << LessFunc.operator()(1, 2) << endl;
//函数调用仿函数
int a[] = { 9,1,2,5,7,4,6,3 };
BubbleSort(a, 8, LessFunc);
BubbleSort(a, 8, GreaterFunc);
BubbleSort(a, 8, Less<int>());
BubbleSort(a, 8, Greater<int>());
return 0;
}
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