【c++篇】:栈、队列、优先队列:容器世界里的秩序魔法 - stack,queue与priority_queue探秘

news2024/11/14 16:26:00

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文章目录

  • 前言
  • 一.容器stack
    • 1.介绍
    • 2.成员函数
    • 3.模拟实现
    • 4.注意事项
  • 二.容器queue
    • 1.介绍
    • 2.成员函数
    • 3.模拟实现
    • 4.注意事项
  • 三.容器priority_queue
    • 1.介绍
    • 2.使用
    • 3.模拟实现
      • 基本框架
      • 成员函数
    • 4.测试

前言

在编程的世界里,数据结构是构建高效程序的基石。而在C++等编程语言中,容器则是对数据结构的一种方便的实现与封装。其中,stack(栈)queue(队列)priority_queue(优先队列)是非常重要且基本的容器类型。Stack以其独特的后进先出(LIFO)的操作模式,为解决一些特定顺序相关的问题提供了简洁的方法,例如函数调用栈。Queue遵循先进先出(FIFO)的原则,如同现实生活中的排队场景,在任务调度等场景有着广泛的应用。而priority_queue则允许按照用户定义的优先级来取出元素,给具有不同重要性元素的操作提供了高效的实现。本博客旨在深入探讨这三种容器,包括它们的特性、操作方式以及各自适用的应用场景等,希望能够帮助读者更好地理解和运用这些在编程中至关重要的工具。

一.容器stack

1.介绍

在之前的数据结构学习中我们知道Stack(栈)是一种特殊的线性数据结构,其特点在于元素的插入和删除操作都只能在容器的一端进行,这一端通常被称为栈顶。Stack遵循后进先出LIFO, Last In First Out的原则,即最后插入的元素会是第一个被删除的元素。

在C++中,Stack是作为容器适配器实现的,这意味着它封装了某个具体的容器类(如vectordequelist)作为其底层存储结构,并提供了一套特定的成员函数来访问这些元素。如果没有为Stack指定特定的底层容器,默认情况下,Stack会使用deque作为其底层容器,因为deque提供了在两端高效插入和删除元素的能力,非常适合Stack的需求。

2.成员函数

Stack提供的主要成员函数包括:

  • push(x)函数

    • 将元素x压入栈顶。
  • pop()

    • 弹出栈顶元素,即删除栈顶元素。注意:这个函数没有返回值,只是简单地移除了栈顶元素。
  • top()

    • 返回栈顶元素的引用,但不删除它。这允许我们访问栈顶元素的值,注意:如果不小心修改了引用的值,将会改变栈顶元素的值。
  • empty()

    • 检查栈是否为空。如果栈为空,则返回true;否则返回false。
  • size()

    • 返回栈中元素的个数。

3.模拟实现

以下是一个容器Stack的简单模拟实现:

  • 代码实现:
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
using namespace std;

namespace Mystack{
    template<class T,class container=vector<T>>
    class stack{
    public:
        //构造函数
        stack()
        {}

        void push(const T& x){
            //入栈调用尾插函数
            _con.push_back(x);
        }
        void pop(){
            //出栈调用尾删函数
            _con.pop_back();
        }
        T& top(){
            //取栈顶元素返回最后一个元素即可
            return _con[_con.size()-1];
        }
        const T& top()const {
            return _con[_con.size()-1];
        }
        size_t size()const {
            //获取大小调用size()函数
            return _con.size();
        }
        bool empty()const {
            //判断为空调用empty()函数
            return _con.empty();
        }
    private:
        container _con;

    };
}
  • 实现原理:

    • 模版参数T表示存储的数据类型,container表示适配器的类型,默认为vector<T>
    • 成员变量_con是适配器的实例化对象
    • 构造函数为空即可,成员变量会调用对应容器的构造函数完成初始化
    • top()函数分为普通对象使用的类型和const对象使用的类型,返回是引用返回
  • 测试用例:

    void test1(){
        Mystack::stack<string> st;
        st.push("ab");
        st.push("cd");
        st.push("ef");
        st.push("gh");
        while(!st.empty()){
            cout<<st.top()<<" ";
            st.pop();
        }
        cout<<endl;
    }
    

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4.注意事项

  1. Stack不支持随机访问,即不能通过下标访问元素。
  2. Stack内的元素是无法直接遍历的,但可以通过while循环和pop()/top()的组合来遍历(但这种方法会改变Stack的状态,因为每读取一个元素就需要弹出这个元素)。
  3. 在使用pop()函数之前,需要确保栈不为空,否则会导致未定义行为。

二.容器queue

1.介绍

Queue(队列)是一种先进先出FIFO, First In First Out的数据结构,它有两个主要操作:入队(enqueue)和出队(dequeue)。入队操作将元素添加到队列的尾部,而出队操作则移除队列头部的元素。Queue在多种场景中都有广泛的应用,如任务调度、消息传递、广度优先搜索等。

在C++中,Queue是作为容器适配器(Container Adapter)实现的,它依赖于某个具体的容器类(如dequelist)作为其底层存储结构。默认情况下,C++标准库中的Queue使用deque作为其底层容器,但也可以通过模板参数指定其他支持双端操作的容器,如list

2.成员函数

Queue提供的主要成员函数包括:

  • push(x)

    • 将元素x添加到队列的尾部。
  • pop()

    • 移除队列头部的元素。注意,这个函数没有返回值,只是简单地移除了队列头部的元素。
  • front()

    • 返回队列头部元素的引用,但不删除它。这允许我们访问队列头部元素的值。
  • back()

    • 返回队列尾部元素的引用,但不删除它。这允许我们访问队列尾部元素的值。
  • empty()

    • 检查队列是否为空。如果队列为空,则返回true;否则返回false。
  • size()

    • 返回队列中元素的个数。

3.模拟实现

以下是一个容器Queue的简单模拟实现(注意,c++标准库中使用的是deque做默认适配器,这里为了方便直接使用list做默认适配器:

  • 代码实现:
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
using namespace std;

namespace Myqueue{
    template<class T,class container=list<T>>
    class queue{
    public:
        //构造函数
        queue()
        {}
        
        //入队调用尾插函数
        void push(const T& x){
            _con.push_back(x);
        }
        //出队调用头删函数
        void pop(){
            _con.pop_front();
        }
        //取队头元素返回迭代器begin()位置的元素
        T& front(){
            return *(_con.begin());
        }
        const T& front()const {
            return *(_con.begin());
        }
        //取队尾元素返回迭代器end()位置的元素
        T& back(){
            return *(_con.end()--);
        }
        const T& back()const {
            return *(_con.end()--);
        }
        //获取队长调用size()函数
        size_t size()const {
            return _con.size();
        }
        //判断为空调用empty()函数
        bool empty()const {
            return _con.empty();
        }
    private:
        container _con;
    };
}
  • 实现原理:

    • 模版参数T表示存储的数据类型,container表示适配器的类型,默认为list<T>
    • 成员变量_con是适配器的实例化对象
    • 构造函数为空即可,成员变量会调用对应容器的构造函数完成初始化
    • back()front函数分为普通对象使用的类型和const对象使用的类型,返回是引用返回
  • 测试用例:

void test2(){
    Myqueue::queue<string> q;
    q.push("ab");
    q.push("cd");
    q.push("ef");
    q.push("gh");
    while(!q.empty()){
        cout<<q.front()<<" ";
        q.pop();
    }
    cout<<endl;
}

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4.注意事项

  1. Queue不支持随机访问,即不能通过下标访问元素。
  2. 在使用pop()函数之前,需要确保队列不为空,否则会导致未定义行为。同样地,在使用front()back()函数之前,也需要确保队列不为空。
  3. Queue的底层容器默认是deque,但也可以通过模板参数指定为其他支持双端操作的容器,如list。然而,由于vector只支持在尾部进行高效的插入和删除操作,因此它不能作为Queue的底层容器。

通过本文的介绍,相信你已经对C++中的Queue容器有了基本的了解,并掌握了其使用方法。希望这些信息能对你有所帮助!

三.容器priority_queue

容器priority_queue(优先级队列)是C++标准库中的一个容器适配器,它根据严格的弱排序标准为元素提供排序,使得队列的第一个元素总是当前元素中优先级最高的(默认是大堆,即最大元素位于堆顶)。

1.介绍

  1. 基本概念

    • 优先队列类似于堆,可以随时插入元素,并且只能检索最大堆元素(即队首元素)。
    • 优先队列被实现为容器适配器,将特定的容器类封装作为其底层容器。
  2. 底层容器

    • 底层容器可以是任何标准容器类模板,如vectordeque,这些容器应该可以通过随机访问迭代器访问。
    • 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作为底层容器。
  3. 比较函数

    • 优先队列使用比较函数来确定元素的优先级。默认情况下,使用std::less作为比较函数,创建最大堆。
    • 若要使用最小堆,可以指定std::greater作为比较函数。

2.使用

  1. 包含头文件
    在使用priority_queue之前,需要包含<queue>头文件。

  2. 定义优先队列

    priority_queue<int> pq; // 默认最大堆
    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq_min; // 最小堆
    
  3. 成员函数

    • push(x):在优先队列中插入元素x
    • pop():删除优先队列中最大(或最小)元素。
    • top():返回优先队列中最大(或最小)元素。
    • empty():检测优先队列是否为空。
    • size():返回优先队列中有效元素的个数。

3.模拟实现

基本框架

  • 代码实现:

    #include<iostream>
    #include<vector>
    #include<algorithm>
    using namespace std;
    
    namespace Mypriority_queue{
        //仿函数/函数对象
        //这个类可以像函数一样使用
        //用来控制建大堆
        template<class T>
        class less{
        public:
            bool operator()(const T& x,const T& y){
                return x<y;
            }
        };
        //用来控制建小堆
        template<class T>
        class greater{
        public:
            bool operator()(const T& x,const T& y){
                return x>y;
            }
        };
        
        //类模版
        template<class T,class container=vector<T>,class comapre=less<T>>
        class priority_queue{
        private:
            //向上调整建堆
            //向下调整建堆
            
        public:
            //....其他成员函数
            
        private:
            //成员变量
            container _con;
            
        };
    }
    
  • 实现原理:

    • 定义两个类,这两个可以像函数一样使用,也叫做仿函数,用来控制建大堆还是建小堆
    • priority_queue类中,模版参数T表示存储的数据类型,模版参数container表示适配器,默认适配器为vector<int>,模版参数comapre表示用来控制建堆

成员函数

  • 向下调整建堆代码实现:

    void AdjustDown(size_t parents){
        comapre com;
        //向下调整,由父节点找子节点,父节点乘2再加1
        size_t child=parents*2+1;
        if(child+1<_con.size()&&com(_con[child],_con[child+1])){
        child++;
        }
        while(child<_con.size()){
            if(com(_con[parents],_con[child])){
                swap(_con[parents],_con[child]);
                parents=child;
                child=parents*2+1;
            }
            else{
                break;
            }
        }
    }
    
  • 实现原理:

    • 由传过来的父节点找子节点,子节点是父节点的下标乘以2再加1
    • 创建com对象,这个对象可以像使用函数一样用来比较大小
  • 向下调整建堆代码实现:

    void AdjustUp(size_t child){
        comapre com;
        //向上调整,由子节点找父节点,子节点先-1再除2
         size_t parents=(child-1)/2;
         while(child>0){
             if(com(_con[parents],_con[child])){
                 swap(_con[parents],_con[child]);
                 child=parents;
                 parents=(child-1)/2;
              }
              else{
                 break;
              }
         }
    }
    
  • 实现原理:

    • 由传过来的子节点找父节点,父节点下标是子节点下标先减1再除以2
    • 创建com对象,这个对象可以像使用函数一样用来比较大小
  • 构造函数代码实现:

    template<class InputIterator>
    priority_queue(InputIterator first,InputIterator last){
        while(first!=last){
            _con.push_back(*first);
            first++;
        }
        //向下调整建堆
        //注意,for循环中,i最好不要用size_t,如果出现i小于0时,会死循环
        for(int i=(_con.size()-1-1)/2;i>=0;i--){
            AdjustDown(i);
        }
    }
    
  • 实现原理:

    • 构造函数是模版函数,将区间中的数据依次插入到优先队列中
    • 插入完数据后循环调用向下调整建堆
  • 其他成员函数代码实现:

    void pop(){
        swap(_con[0],_con[_con.size()k-1]);
        _con.pop_back();
        AdjustDown(0);
    }
    
    void push(const T& x){
        _con.push_back(x);
        AdjustUp(_con.size()-1);
    }
    
    T& top(){
        return _con[0];
    }
    
    const T& top()const {
        return _con[0];
    }
    
    size_t size()const {
        return _con.size();
    }
    
    bool empty()const {
        return _con.empty();
    }
    
  • 实现原理:

    • pop()函数先交换第一个和最后一个元素,在删除最后一个元素相当于删除堆顶的元素,再调用向下调整
    • push()函数将需要插入的数据插入到最后位置,再调用向上调整
    • top()函数相当于获取堆顶也就是第一个元素
    • 获取大小调用对应的size()函数
    • 判断为空调用对应的empty()函数

4.测试

  • 测试代码:

    void test1(){
        vector<int> v={3,2,6,1,8,7,0};
        Mypriority_queue::priority_queue<int> q(v.begin(),v.end());
        q.push(4);
        q.push(5);
        while(!q.empty()){
            cout<<q.top()<<" ";
            q.pop();
        }
        cout<<endl;
    }
    
    int main(){
        test1();
        return 0;
    }
    
  • 测试结果:

    在这里插入图片描述
    以上就是关于容器stack,queue,priority_queue的基本使用和模拟实现的讲解,如果哪里有错的话,可以在评论区指正,也欢迎大家一起讨论学习,如果对你的学习有帮助的话,点点赞关注支持一下吧!!!
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