C++——容器适配器

news2024/12/27 11:59:24

1. 什么是适配器？

容器适配器是C++标准库中的一种数据结构，它可以将不同类型的容器（如vector、list、deque等）转换为另一种类型的容器。容器适配器提供了一种简单的方式来重新组织和访问数据，同时隐藏了底层容器的实现细节。它们通常用于解决特定的问题或满足特定的需求。

容器适配器有三种常见的类型：栈（stack）、队列（queue）和优先队列

  • 栈（stack）：栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，类似于现实生活中的一叠盘子。栈容器适配器提供了push、pop、top等操作，可以方便地在栈顶插入和删除元素。

  • 队列（queue）：队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，类似于现实生活中的排队。队列容器适配器提供了push、pop、front等操作，可以方便地在队列尾部插入元素，在队列头部删除元素。

  • 优先队列（priority_queue）：优先队列是一种具有优先级的队列，每次取出的元素都是当前队列中优先级最高的元素。优先队列容器适配器提供了push、pop、top等操作，可以方便地插入和删除元素，并且保证每次取出的元素都是最大或最小的。

2. 容器适配器的作用

  1. 改变容器的接口
  2. 增加容器的功能
  3. 限制容器的功能

3. 常见的容器适配

3.1 栈（stack）

3.1.1 概念

栈（stack）是一种常见的容器适配器，它遵循“后进先出”（Last-In-First-Out，LIFO）的原则。栈只允许在末尾进行插入和删除操作，即只能在栈顶进行入栈和出栈操作。

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3.1.2 基本操作
操作功能
empty判空操作
back获取尾部元素操作
push_back尾部插入元素操作
pop_back尾部删除元素操作

3.1.3 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

3.1.4 stack的模拟实现

#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace bite
{
	template<class T>
	class stack
	{
	public:
		//构造函数
		stack() 
		{}
		//入栈
		void push(const T& x) 
		{
			_c.push_back(x); 
		}
		//出栈
		void pop() 
		{
			_c.pop_back(); 
		}
		//返回栈顶元素
		T& top() 
		{
			return _c.back(); 
		}
		//返回栈顶元素的const版本
		const T& top()const 
		{
			return _c.back(); 
		}
		//大小
		size_t size()const 
		{
			return _c.size(); 
		}
		//判断是否为空
		bool empty()const 
		{
			return _c.empty(); 
		}
	private:
		std::vector<T> _c;
	};
}
int main()
{
	bite::stack<int> mystack;
	mystack.push(1);
	mystack.push(2);
	mystack.push(3);
	mystack.push(4);
	mystack.push(5);
	if (!mystack.empty())
	{
		cout << "栈大小：" << mystack.size() << endl;
		cout << "栈顶元素：" << mystack.top() << endl;
	}
	mystack.pop();
	if (!mystack.empty())
	{
		cout << "栈大小：" << mystack.size() << endl;
		cout << "栈顶元素：" << mystack.top() << endl;
	}

}

3.2 队列（queue）

队列是一种常见的容器适配器，它遵循先进先出（FIFO）的原则。在队列中，元素被添加到末尾，被移除时从头部开始。队列适配器提供了一些常用的操作，如入队（enqueue）和出队（dequeue）。

请添加图片描述

3.2.1 基本操作

操作功能
empty检队列是否为空
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在队列尾部队列
pop_front在队列头部出队列

3.2.2 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，是返回true，否则返回false
size()返回队列中有效元素的个数
front()返回头元素的引用
back()返回尾元素的引用
push()将队尾元素val入栈
pop()将头元素出队列

3.2.3 queue的模拟实现

#include<list>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace bite
{
	template<class T>
	class queue
	{
	public:
		//默认构造函数，用于初始化一个新的queue对象
		queue()
		{}
		//入队操作，将元素x添加到队列的末尾
		void push(const T& x)
		{
			_c.push_back(x);
		}
		//出队操作，移除队列的第一个元素
		void pop()
		{
			_c.pop_front();
		}
		//返回队列最后一个元素的引用，允许修改
		T& back()
		{
			return _c.back();
		}
		//返回队列最后一个元素的引用，不允许修改
		const T& back() const
		{
			return _c.back();
		}
		//返回队列第一个元素的引用，允许修改
		T& front()
		{
			return _c.front();
		}
		//返回队列第一个元素的引用，不允许修改
		const T& front() const
		{
			return _c.front();
		}
		//返回队列中元素的个数
		size_t size() const
		{
			return _c.size();
		}
		//判断队列是否为空
		bool empty() const
		{
			return _c.empty();
		}
	private:
		//用于存储队列中的元素
		list<int> _c;
	};
}
int main()
{
	bite::queue<int> myqueue;
	myqueue.push(1);
	myqueue.push(2);
	myqueue.push(3);
	myqueue.push(4);
	myqueue.push(5);
	if (!myqueue.empty())
	{
		cout << "队列大小：" << myqueue.size() << endl;
		cout << "队列第一个元素：" << myqueue.front() << endl;
		cout << "队列最后一个元素：" << myqueue.back() << endl;
	}
	myqueue.pop();
	if (!myqueue.empty())
	{
		cout << "队列大小：" << myqueue.size() << endl;
		cout << "队列第一个元素：" << myqueue.front() << endl;
		cout << "队列最后一个元素：" << myqueue.back() << endl;
	}
	return 0;
}

3.3 优先队列（priority_queue）

3.3.1 概述

优先队列是一种特殊的队列，其中的元素按照一定的优先级进行排序。在优先队列中，每个元素都有一个与之关联的优先级，具有较高优先级的元素会被优先处理。优先队列通常使用堆数据结构来实现，因为堆能够在插入和删除元素时保持元素的有序性。

3.3.2 基本操作

操作功能
push将一个元素插入到优先级队列中，插入的元素会根据其优先级被放置到合适的位置上
pop移除优先队列中具有最高优先级的元素
top获取优先队列中具有最高优先级的元素，但不会将其从队列中移除
empty检查优先队列是否为空

3.3.3 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()/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

3.3.4 实现方式

优先队列可以通过堆来实现，常见的堆有大堆和小堆。大堆中，根节点的值最大，每个节点的值都大于或等于其子节点的值；小堆中，根节点的值最小，每个节点的值都小于或等于其子节点的值。优先队列可以根据元素的优先级来构建最大堆或最小堆

3.3.5 基本操作和时间复杂度

操作时间复杂度
插入元素O(long n)
删除元素O(long n)
获取元素首元素O(1)
判断队列是否为空O(1)

3.3.6 priority_queue的模拟实现

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
// priority_queue--->堆
namespace bite
{
	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;
	};
}

void TestQueuePriority()
{
	bite::priority_queue<int> q1;
	q1.push(5);
	q1.push(1);
	q1.push(4);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	q1.push(6);
	cout << q1.top() << endl;

	q1.pop();
	q1.pop();
	cout << q1.top() << endl;

	vector<int> v{ 5,1,4,2,3,6 };
	bite::priority_queue<int, vector<int>, bite::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;

	q2.pop();
	q2.pop();
	cout << q2.top() << endl;
}

4. 容器适配器的优点

4.1 封装性

容器适配器隐藏了底层容器的实现细节，只暴露出特定的接口，使得使用者可以方便地操作容器适配器，而不需要了解底层容器的具体实现。

4.2 灵活性

容器适配器可以根据不同的需求选择不同的底层容器来实现功能。例如，可以使用栈来实现适配器，也可以使用队列来实现适配器，这取决于具体的使用场景和要求。

4.3 功能拓展

容器适配器可以根据需要进行扩展，添加新的功能或修改现有功能。由于适配器与底层容器解耦，因此可以独立地对适配器进行修改，而不会影响到其他部分的代码。

4.4 与标准库兼容

容器适配器通常与标准库的容器接口兼容，这意味着可以通过容器适配器来替换标准容器的使用，而不需要修改其他代码。

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