C++容器适配器stack、queue、priority

文章目录

C++容器适配器stack、queue、priority_queue
- 1、stack
- - 1.1、stack的介绍
  - 1.2、stack的使用
  - 1.3、stack的模拟实现
- 2、queue
- - 2.1、queue的介绍
  - 2.2、queue的使用
  - 2.3、queue的模拟实现
- 3、priority_queue
- - 3.1、priority_queue的介绍
  - 3.2、priority_queue的使用
  - 3.3、仿函数
  - 3.4、priority_queue的模拟实现
- 4、deque
- - 4.1、deque的原理介绍
  - 4.2、deque的缺陷
  - 4.3、为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

C++容器适配器stack、queue、priority_queue

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。

1、stack

1.1、stack的介绍

stack的文档介绍

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。
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。
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

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。

1.2、stack的使用

函数名称功能说明
构造函数(constructor) 构造空的栈
empty 栈的判空
size 返回栈的大小
top 返回栈顶元素的引用
push 入栈
pop 出栈
void test_stack() {
   stack<int> st;
   st.push(1);
   st.push(3);
   st.push(2);
   st.push(7);

   while (!st.empty()) {
       cout << st.top() << " ";
       st.pop();
   }

   cout << endl;
}

函数名称	功能说明
构造函数(constructor)	构造空的栈
empty	栈的判空
size	返回栈的大小
top	返回栈顶元素的引用
push	入栈
pop	出栈

1.3、stack的模拟实现

这里我们用到了两个模版参数，一个是数据类型，还有一个是容器，这里的容器给了给缺省值（deque，官方也是这个），也就是我们可以使用deque来实现stack的所有功能，前面stack的文档介绍有提到如下特点，这个deque是完全支持下列操作的。其中vector和list也支持哦。

namespace xp {
template<class T, class Container = deque<T>>
class stack {
public:

  void push(const T &val) {
      _con.push_back(val);
  }

  void pop() {
      _con.pop_back();
  }

  const T &top() {
      return _con.back();
  }

  size_t size() const {
      return _con.size();
  }

  bool empty() {
      return _con.empty();
  }


private:
  Container _con; // 内置类型 ，不用自己构造析构
};

	// 测试stack
	void test_stack1() {
  stack<int, list<int>> st;
  st.push(1);
  st.push(2);
  st.push(3);
  st.push(1);

  cout << st.size() << endl;

  while (!st.empty()) {
      cout << st.top() << " ";
      st.pop();
  }
  cout << endl;
}
}

2、queue

2.1、queue的介绍

queue的文档介绍

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

函数名称功能说明
构造函数(constructor) 构造一个空的队列
empty 队列判空
size 返回队列的大小
front 返回队列的头元素的引用
back 返回队列的尾元素的引用
push 入队
pop 出队
void test_queue() {
   queue<int, list<int>> q;
   q.push(1);
   q.push(3);
   q.push(2);
   q.push(7);

 	cout << q.back() << " ";
   while (!q.empty()) {
       cout << q.front() << " ";
       q.pop();
   }

   cout << endl;
}

函数名称	功能说明
构造函数(constructor)	构造一个空的队列
empty	队列判空
size	返回队列的大小
front	返回队列的头元素的引用
back	返回队列的尾元素的引用
push	入队
pop	出队

2.3、queue的模拟实现

这里的容器给了给缺省值（deque，官方也是这个），也就是我们可以使用deque来实现queue的所有功能，前面queue的文档介绍有提到如下特点，这个deque是完全支持下列操作的。其中list也支持哦，但是vector不支持（因为vector没有pop_front）。

namespace xp{
template<class T, class Container= deque<T>>
class queue {
public:

  void push(const T &val) {
      _con.push_back(val);
  }

  void pop() {
      _con.pop_front();
  }

  const T &back() {
      return _con.back();
  }

  const T &front() {
      return _con.front();
  }

  bool empty() {
      return _con.empty();
  }

  size_t size() const {
      return _con.size();
  }

private:
  Container _con; // 内置类型 ，不用自己构造析构
};

	// 测试queue
	void test_queue1() {
  // 这里 Container不能用vector ，因为vector没有pop_front
  queue<int, list<int>> q;
  q.push(2);
  q.push(2);
  q.push(23);
  q.push(25);

  while (!q.empty()) {
      cout << q.front() << " ";
      q.pop();
  }
}
}

3、priority_queue

3.1、priority_queue的介绍

priority_queue文档介绍

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，这些特定容器类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

函数名称	功能说明
构造函数(constructor)	构造一个空的优先队列
empty	优先队列判空
size	返回优先队列的大小
top	返回优先队列的堆顶元素
push	入队（堆尾插入一个元素）
pop	出队（堆顶删除一个元素）

void test_priority_queue() {
   priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;
   pq.push(1);
   pq.push(3);
   pq.push(2);
   pq.push(7);

   while (!pq.empty()) {
       cout << pq.top() << " ";
       pq.pop();
   }

   cout << endl;
}

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、仿函数

由于接下来priority_queue的模拟实现用到了仿函数，那我们下面就来介绍一下仿函数。

C++ 仿函数（Function Object）是一种类或类对象，它可像函数一样被调用。仿函数是函数对象，可以以对象的形式存储在变量中，也可以像函数一样被调用。在 C++ 中，仿函数主要通过重载函数调用运算符 operator() 来实现。

以下是一个简单的示例，演示了如何定义和使用一个仿函数：
#include <iostream>

// 仿函数类
class MultiplyBy {
public:
   MultiplyBy(int factor) : _factor(factor) {}

   // 重载函数调用运算符
   int operator()(int x) const {
       return x * _factor;
   }

private:
   int _factor;
};

int main() {
   MultiplyBy multiplyByTwo(2);// 初始化_factor
   MultiplyBy multiplyByFive(5);

   // 使用仿函数   ----   使用()
   std::cout << "Result 1: " << multiplyByTwo(3) << std::endl;    // 输出：6
   std::cout << "Result 2: " << multiplyByFive(4) << std::endl;   // 输出：20

   return 0;
}
在上述示例中，MultiplyBy 类是一个仿函数，通过构造函数初始化一个因子 factor_，并重载了函数调用运算符 operator()。实例化 MultiplyBy 后，可以像调用函数一样使用这个类的对象，传递参数并得到结果。

3.4、priority_queue的模拟实现

priority_queue的底层结构就是堆，需要注意的就是入队（堆尾插入一个元素）和出队（堆顶删除一个元素）。这里的容器给了给缺省值（vector，官方也是这个），也就是我们可以使用vector来实现priority_queue的所有功能，前面priority_queue的文档介绍有提到如下特点，这个vector是完全支持下列操作的。其中deque也支持哦，但是list不支持（因为list不能随机访问，那堆需要随机访问（向上调整和向下调整））。

namespace xp{
 // 仿函数
   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;
       }
   };

   template<class T, class Container = vector<T>, class Compare= less<T> >
   class priority_queue {
       //  底层是一个堆
   public:
       // 假设默认是大根堆

       // 向上调整
       void Adjust_up(int child) {
           int parent = (child - 1) / 2;
           Compare com;
           while (child > 0) {
//                if (_con[child] > _con[parent]) {
               if (com(_con[child], _con[parent])) {
                   swap(_con[child], _con[parent]);
                   child = parent;
                   parent = (child - 1) / 2;
               } else {
                   break;// 调整结束
               }
           }

       }

       // 向下调整
       void Adjust_down(int parent) {
           Compare com;
           // 假设左孩子比右孩子更大
           int child = parent * 2 + 1;
           //如果右孩子存在
           if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child + 1], _con[child])) {
               ++child;
           }

           // 此时child是左右孩子值更大的那个
           while (child < _con.size()) {
               if (com(_con[child], _con[parent])) {
                   swap(_con[child], _con[parent]);
                   parent = child;
                   child = parent * 2 + 1;
               } else {
                   break;// 调整结束
               }
           }

       }

       void push(const T &val) {
           _con.push_back(val);
           Adjust_up(_con.size() - 1);
       }

       void pop() {
           // 第一个元素和最后一个元素交换
           swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
           _con.pop_back();
           Adjust_down(0);
       }

       const T &top() {
           return _con[0];
       }

       size_t size() const {
           return _con.size();
       }

       bool empty() {
           return _con.empty();
       }

   private:
       Container _con;
   };

 	// 测试priority_queue
   void test_priority_queue1() {
       priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;
       pq.push(4);
       pq.push(41);
       pq.push(24);
       pq.push(2);
       pq.push(11);
       pq.push(1);
       pq.push(12);

       cout << pq.size() << endl;

       while (!pq.empty()) {
           cout << pq.top() << " ";
           pq.pop();
       }
   }
}

4、deque

简单了解，底层比较难！

4.1、deque的原理介绍

deque(double end queue — 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？

4.2、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。

4.3、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。

OKOK，C++容器适配器stack、queue、priority_queue就到这里。如果你对Linux和C++也感兴趣的话，可以看看我的主页哦。下面是我的github主页，里面记录了我的学习代码和leetcode的一些题的题解，有兴趣的可以看看。

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