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【C++】stack 和 queue 以及 容器适配器

19 人参与  2024年09月24日 11:20  分类 : 《关注互联网》  评论

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文章目录

一、stack1.1 stack的使用1.2 stack的模拟实现 二、queue2.1 queue的使用2.2 queue的模拟实现 三、优先级队列1.优先级队列的介绍2. priority_queue的使用的使用3.模拟实现优先级队列 四、 容器适配器1.STL标准库中stack和queue的底层结构2.deque(双端对列)了解2.1deque的概念2.2deque的缺陷2.3为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器 五、STL标准库中对于stack和queue的模拟实现stack的模拟实现queue的模拟实现

一、stack

栈的特点是先进后出,stack不提供迭代器。

1.1 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中尾部的元素弹出

1.2 stack的模拟实现

从栈的接口中可以看出,栈实际是一种特殊的vector,因此使用vector完全可以模拟实现stack。

#include<vector>namespace fx{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

队列的特点是先进先出,queue不提供迭代器

2.1 queue的使用

函数说明接口说明
queue()构造空的队列
empty()检测队列是否为空,是返回true,否则返回false
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
pop()将队头元素出队列
push()在队尾将元素val入队列

2.2 queue的模拟实现

queue的底层可以是list等支持尾插头删的线性容器,但并不支持vector,因为数组头插头删效率不行。

#include <list>namespace fx{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、优先级队列

1.优先级队列的介绍

在有了前面容器使用的基础之下,我们对于优先级队列priority_queue的使用成本不是很大,值得注意的是头文件为 < queue>

普通的队列是先进先出,优先级队列默认是优先级高的先出
在这里插入图片描述
Container: 优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器,支持[]的使用,支持随机访问,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。

Compare:注意:默认情况下priority_queue是大堆,仿函数为less。

2. priority_queue的使用的使用

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,是返回true,否则返回false
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

3.模拟实现优先级队列

#pragma oncenamespace fx{template <class T>class less{public:bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x < y;}};template <class T>class greater{public:bool operator()(const T& x, const T& y) const{return x > y;}};template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{public:priority_queue(){}template <class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last):_con(first, last){for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){adjust_down(i);}}void adjust_up(size_t child){Compare com;size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if ( _con[parent]<_con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void adjust_down(size_t parent){Compare com;size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){child++;}//if (_con[parent]<_con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size() - 1);}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();adjust_down(0);}const T& top() const{return _con[0];}bool empty() const{return _con.empty();}size_t size() const{return _con.size();}private:Container _con;};}

仿函数和C语言的函数指针的作用有点类似,函数指针是传入目标函数的地址,通过函数回调来执行目标函数的功能。而仿函数是一个类,对于模板函数,根据传入函数的类对象调用类中的operator()来控制不同的结果;对于模板类,通过在类中构造仿函数对象,在需要功能“分叉”的地方调用仿函数类中的operator()来达到不同的效果。(白话:泛型中的仿函数影响逻辑,通过仿函数来控制一个“水龙头”出冷水还是出热水······)

还有一种情况:优先级队列存的是某个类的地址,但是需要比较指针指向值的优先级。那这个时候就不能用中的less和greater控制建堆,需要自己写仿函数。(仿函数也可以加上模板特化)

四、 容器适配器

1.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:
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.deque(双端对列)了解

2.1deque的概念

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.

在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述

2.2deque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。

2.3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。

五、STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

stack的模拟实现

#include<deque>namespace fx{template<class T, class Con = deque<T>>//template<class T, class Con = vector<T>>//template<class T, class Con = list<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:Con _c;};}

queue的模拟实现

include<deque>#include <list>namespace fx{template<class T, class Con = deque<T>>//template<class T, class Con = list<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:Con _c;};}

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