10.【C++】stack(栈)、queue(队列)和priority_queue(堆)的使用及模拟实现

目录

一. stack的介绍和使用

1.1 stack的介绍

1.2 stack的使用 

1.3 stack的模拟实现

二. queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

2.2 queue的使用

2.3 queue的模拟实现

三. priority_queue的介绍和使用（堆）

3.1 priority_queue的介绍

3.2 priority_queue的使用

3.3 priority_queue的模拟实现

四. 容器适配器

4.1 什么是适配器

4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

4.3 deque的简单介绍(了解)

4.3.1 deque的原理介绍

4.3.2 deque的缺陷

4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

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一. stack的介绍和使用

1.1 stack的介绍

        stack的文档介绍

1.2 stack的使用 

	函数说明	接口说明
(1)	stack()	构造空的栈
(2)	empty()	检测stack是否为空
(3)	size()	返回stack中元素的个数
(4)	top()	返回栈顶元素的引用
(5)	push()	将元素val压入stack中
(6)	pop	将stack中尾部的元素弹出

示例：

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

int main()
{
	stack<int> st;							// (1) stack 栈构造
	cout << "empty: " << st.empty() << endl;// (2) empty 判空
	cout << "size: " << st.size() << endl;	// (3) size 返回元素个数
	st.push(1);								// (5) push 将元素val压入stack中
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	cout << st.top() << endl;				// (4) top 返回栈顶元素
	st.pop();								// (6) pop 将stack中尾部的元素弹出
	cout << "st.pop()" << endl;
	cout << st.top() << endl;
	cout << "empty: " << st.empty() << endl;
	cout << "size: " << st.size() << endl;
	return 0;
}

1.3 stack的模拟实现

#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;
	};
}

二. queue的介绍和使用

2.1 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：见2.2

        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。

2.2 queue的使用

	函数声明	接口说明
(1)	queue()	构造空的队列
(2)	empty()	检测队列是否为空，是返回true，否则返回false
(3)	size()	返回队列中有效元素的个数
(4)	front()	返回队头元素的引用
(5)	back()	返回队尾元素的引用
(6)	push()	在队尾将元素val入队列
(7)	pop	将队头元素出队列

示例：

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

int main()
{
	queue<int> q;							// (1) queue 构造
	cout << "empty: " << q.empty() << endl; // (2) empty 判空
	cout << "size: " << q.size() << endl;	// (3) size 返回元素个数
	q.push(1);								// (6) push 在队尾将元素val入队列
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	cout << q.front() << endl;				// (4) front 返回队头元素的引用
	cout << q.back() << endl;				// (5) back 返回队尾元素的引用
	q.pop();								// (7) pop 将队头元素出队列
	cout << "q.pop()" << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
	cout << "empty: " << q.empty() << endl;
	cout << "size: " << q.size() << endl;
	return 0;
}

2.3 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;
	};
}

三. priority_queue的介绍和使用（堆）

3.1 priority_queue的介绍

        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。

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。

函数声明	接口说明
priority_queue	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，否返回false
top	返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素
push	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;
}

3.3 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。

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四. 容器适配器

4.1 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。 

4.2 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：

4.3 deque的简单介绍(了解)

4.3.1 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：

        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？

4.3.2 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。

4.4 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。