stack和queue及优先级队列和适配器（包括deque）的介绍

news2024/10/7 12:20:37
stack
stack的介绍
  1. stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与提取操作。
  2. stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。
  3. stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下操作：
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
  1. 标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque。

在这里插入图片描述
其实在数据结构中我们学习了栈和队列后我们在C++部分中学习起来stack和queue就很容易上手了！

stack的使用

在这里插入图片描述
stack：
stack构造一个空栈，用empty可以判断栈是否为空

int main()
{
	stack<int> st1;
	cout << st1.empty() << endl;
}

empty函数其实是一个布尔型的函数，返回1或者0
在这里插入图片描述
push和pop：
经过了数据结构中的学习我相信这些都是小菜一碟的
push就是从栈顶压入栈帧，pop就是从栈顶出栈，依旧是遵循着先进后厨的原则，我们打开监视窗口来观察即可

int main()
{
	stack<int> st1;
	st1.push(1);
	st1.push(2);
	st1.push(3);
	st1.push(4);
	st1.push(5);
}

在这里插入图片描述
在push五个元素后我们用pop删除两个栈顶元素，再次使用监视窗口就会发现栈内只有1，2，3前三个入栈的元素了

int main()
{
	stack<int> st1;
	st1.push(1);
	st1.push(2);
	st1.push(3);
	st1.push(4);
	st1.push(5);
	st1.pop();
	st1.pop();
}

在这里插入图片描述
top和size：
top就是返回栈顶的元素，size就是栈内元素的个数

int main()
{
	stack<int> st1;
	st1.push(1);
	st1.push(2);
	st1.push(3);
	st1.push(4);
	st1.push(5);
	cout << "st1pop前的size:";
	cout << st1.size() << endl;
	cout << "st1pop前的top:";
	cout << st1.top() << endl;
	st1.pop();
	st1.pop();
	cout << "st1pop后的的size:";
	cout << st1.size() << endl;
	cout << "st1pop后的top:";
	cout << st1.top() << endl;
}

在这里插入图片描述
打印栈内所有元素我们可以这样打印：
但是我们要打印一次栈顶元素就要pop一次

int main()
{
	stack<int> st1;
	st1.push(1);
	st1.push(2);
	st1.push(3);
	st1.push(4);
	st1.push(5);
	cout << "st1pop前的size:";
	cout << st1.size() << endl;
	cout << "st1pop前的top:";
	cout << st1.top() << endl;
	st1.pop();
	st1.pop();
	cout << "st1pop后的的size:";
	cout << st1.size() << endl;
	cout << "st1pop后的top:";
	cout << st1.top() << endl;
	int size = st1.size();
	for (int i = 1; i <= size; i++)
	{
		cout << st1.top() << endl;
		st1.pop();
	}
}

在这里插入图片描述

queue
queue的介绍
  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:
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
  1. 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

在这里插入图片描述
其实stack和queue的区别就是queue是遵循着先进先出，而stack则是先进后出

queque的使用

在这里插入图片描述
queue：
同样的empty是一个布尔型的函数判断队列是否为空

using namespace std;
int main()
{
	queue<int> q;
	cout << q.empty() << endl;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	cout << q.empty() << endl;
}

在这里插入图片描述
front和back：
queue的对头和队尾都有函数作为返回值，很方便

int main()
{
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
}

在这里插入图片描述
push和pop：
push是从队尾入队列，pop是从队头出队列

int main()
{
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	cout << "执行pop前：" << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
	q.push(6);
	q.pop();
	cout << "执行pop后：" << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
}

通过pop和push的操作我们的队头和队尾元素就发生了改变
在这里插入图片描述
size：
我们用size作为for循环的遍历次数来遍历整个queue

using namespace std;
int main()
{
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	cout << "执行pop前：" << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
	q.push(6);
	q.pop();
	cout << "执行pop后：" << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
	cout << endl;
	int size = q.size();
	for (int i = 0; i < size; i++)
	{
		cout << q.front() << endl;
		q.pop();
	}
}

同样的我们也需要打印一个元素pop一个元素
在这里插入图片描述

priority_queue
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
  1. 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。
  2. 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。

其实优先级队列它的底层实现就类似于一个堆，支持随机访问的迭代器，同时也支持随机的插入操作

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。

在这里插入图片描述
构造一个空的优先级队列：
用类似的代码来熟悉一下就可了

int main()
{
	priority_queue<int> pq;
	cout << pq.empty() << endl;
	pq.push(1);
	pq.push(2);
	pq.push(3);
	pq.push(4);
	pq.push(5);
	cout << pq.empty() << endl;
}

在这里插入图片描述
pop和push：
pop就是删除最大（或者最小）即堆顶的元素，这里默认就是大堆，所以删除的是最大的元素

int main()
{
	priority_queue<int> pq;
	pq.push(1);
	pq.push(2);
	pq.push(3);
	pq.push(4);
	pq.push(5);
	cout << "堆顶元素为：";
	cout << pq.top() << endl;
	cout << "队列size为：";
	cout << pq.size() << endl;
	pq.pop();
	cout << "删除后堆顶元素为：";
	cout << pq.top() << endl;
	cout << "删除后队列size为：";
	cout << pq.size() << endl;
}

在这里插入图片描述
插入后依旧回进行堆排序：

int main()
{
	priority_queue<int> pq;
	pq.push(1);
	pq.push(2);
	pq.push(3);
	pq.push(7);
	pq.push(5);
	cout << "堆顶元素为：";
	cout << pq.top() << endl;
	cout << "队列size为：";
	cout << pq.size() << endl;
	pq.pop();
	cout << "删除后堆顶元素为：";
	cout << pq.top() << endl;
	cout << "删除后队列size为：";
	cout << pq.size() << endl;
	pq.push(4);
	int size = pq.size();
	for (int i = 0; i < size; i++)
	{
		cout << pq.top() << endl;
		pq.pop();
	}
}

在上面的这段代码中我们可以看到，在删除栈顶元素7后我们插入元素4，并不是插入到5的后面，而是在堆中适合他大小的地方，说明它进行了排序
在这里插入图片描述
此外这里有几个需要注意的点：

  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;
}
  1. 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;
}
容器适配器
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。
就比如说我们自己的充电头用到欧洲的插座我们就需要用到有一个适配的插头来当作接口，这就是适配器
在这里插入图片描述

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，在官方的网站中可以查询到标准库中的默认适配器：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可以看到他们的默认适配器均是deque，那么deque又有什么样的魔力呢，为何底层的适配器不用vector和list呢？下面我们就来介绍deque：

deque的简单介绍

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。

他的结构如图所示：
他的头尾两端都可以进行插入和删除操作
在这里插入图片描述
但是要注意：
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

他的底层结构如图所示：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
如图所示：
它的一个节点里卖弄有四个指针
在这里插入图片描述
但是deque的缺点也很多，所以用的少：

deque的优点和缺点

优点：
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。
缺点：
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。

选择deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

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。

stack和queue都不需要遍历这是主要的原因！

好了，今天的分享到这里就结束了，感谢大家的支持！

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