🧑💻作者： @情话0.0
📝专栏：《C++从入门到放弃》
👦个人简介：一名双非编程菜鸟，在这里分享自己的编程学习笔记，欢迎大家的指正与点赞，谢谢！
stack和queue
- 前言
- 一、stack的介绍及使用
- 1.1 stack的介绍
- 1.2 stack的使用
- 1.3 stack的模拟实现
- 二、queue的介绍及使用
- 2.1 queue的介绍
- 2.2 queue的使用
- 2.3 queue的模拟实现
- 三、priority_queue的介绍和使用
- 3.1 priority_queue的介绍
- 3.2 priority_queue的使用
- 3.3 priority_queue的模拟实现
- 四、容器适配器
- 4.1 什么是适配器
- 4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
- 五、什么是deque？
- 5.1 deque的原理
- 5.2 deque的缺陷
- 5.3 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
- 总结
前言
此篇博客将谈及到的stack、queue和priority_queue都不是STL的标准容器，而是一种空间适配器。它是通过对一种容器进行封装，并且所有的方法全部由底层依赖的容器进行实现。
一、stack的介绍及使用
1.1 stack的介绍
- stack是一种容器适配器，专门设计用于后进先出的上下文环境中，在这种环境中，元素只从容器的一端进行插入和提取操作。
- stack是作为容器适配器实现的，容器适配器即是对特定容器类的封装对象作为其底层容器的类，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(即堆栈的顶部)被压入/弹出。
- stack的底层容器可以是任何标准容器类模板或其他特定设计的容器类。这些容器类应支持以下操作:
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
- 标准容器类vector、deque和list满足这些要求。默认情况下，如果没有为特定堆栈类实例化指定容器类，则使用deque。
1.2 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 |
void stack_test()
{
stack<int> st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
st.push(5);
st.push(6);
cout << st.top() << endl;
cout << st.size() << endl;
cout << st.empty() << endl;
st.pop();
cout << st.top() << endl;
cout << st.size() << endl;
cout << st.empty() << endl;
}
1.3 stack的模拟实现
根据 stack 的介绍我们知道如果没有为特定堆栈类实例化指定容器类，则使用deque。在stack的模拟实现这一模块使用vector来代替deque作为底层容器，也就是在stack定义的时候要将它的底层容器类型显示给出。
namespace zx
{
//容器适配器----对已有的容器进行改进
template<class T,class Container>
class stack
{
public:
stack()
{}
void push(const T& val)
{
_con.push_back(val);
}
void pop()
{
_con.pop_back();
}
const T& top()
{
return _con.back();
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
void test_stack()
{
stack<int, vector<int>> st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
st.push(5);
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
cout << endl;
}
}
二、queue的介绍及使用
2.1 queue的介绍
- queue是一种容器适配器，专门设计用于在FIFO（先进先出）上下文中操作，其中将元素插入容器的一端并从另一端提取。
- queue是作为容器适配器实现的，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其底层容器的类，提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素被推入特定容器的“后面”，并从其“前面”弹出。
- 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满足这些要求。默认情况下，如果没有为特定队列类实例化指定容器类，则使用标准容器队列。
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() | 返回队头元素的引用 |
| back() | 返回队尾元素的引用 |
| push() | 在队尾将元素val入队列 |
| pop() | 将队头元素出队列 |
void queue_test()
{
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;
cout << q.size() << endl;
q.pop();
cout << q.front() << endl;
cout << q.back() << endl;
cout << q.size() << endl;
cout << q.empty() << endl;
return 0;
}
2.3 queue的模拟实现
和stack一样，如果没有为特定堆栈类实例化指定容器类，则使用deque。因为queue的接口中存在头删和尾插，因此使用vector来封装效率太低，故可以借助list来模拟实现queue，在queue定义的时候要将它的底层容器类型显示给出。
namespace zx
{
template<class T, class Container>
class queue
{
public:
queue()
{}
void push(const T& val)
{
_con.push_back(val);
}
void pop()
{
_con.pop_front();
}
const T& front()
{
return _con.front();
}
const T& back()
{
return _con.back();
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
void test_queue()
{
queue<int, list<int>> q;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
q.push(5);
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " ";
q.pop();
}
cout << endl;
}
}
三、priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue的介绍
- 优先级队列是一种容器适配器，根据某种严格的弱排序标准，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，并且只能检索最大的堆元素(优先级队列中位于顶部的元素)。
- 优先级队列是作为容器适配器实现的，这些适配器是使用特定容器类的封装对象作为其底层容器的类，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，这被称为优先级队列的顶部。
- 底层容器可以是任何标准容器类模板或其他特定设计的容器类。容器必须可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满足这些要求。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。
- 为了始终在内部保持堆结构，需要支持随机访问迭代器。这是由容器适配器在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap自动完成的。
3.2 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 |
3.3 priority_queue的模拟实现
因为优先级队列的底层结构是堆，所以在实现插入删除时就要按照堆的方式完成（向上调整和向下调整）；在这里用到了仿函数的方式来通过一份代码来将优先级队列定义为大堆还是小堆。如果不用仿函数的话则会造成代码的冗余（改变向下调整和向上调整算法的比较大小关系），注意的是在优先级队列的模板参数处，第一个参数是元素类型，第二个是所选择的底层容器（可显示给出，若没显示给出则默认vector），第三个参数则是要建小堆还是大堆的仿函数选择，因为默认是大堆，如果想要将其改成小堆，则需显示给出。同样可说明想要建大堆时那么模板参数的底层容器类型也必须显示给出。还有一点需要注意的就是优先级队列的仿函数模板参数类型默认为less（大堆）。
namespace zx
{
template<class T>
struct less
{
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};
template<class T>
struct greater
{
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x > y;
}
};
//大堆
//template<class T,class Container = vector<T>,class Compare = less<T>>
//小堆
template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = greater<T>>
class priority_queue
{
public:
void adjust_up(int child)
{
Compare com;
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[parent], _con[child]);
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() && com(_con[child], _con[child + 1]))
{
child += 1;
}
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()
{
return _con[0];
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
void test_priority_queue()
{
//priority_queue<int> pq; 默认-->大堆
priority_queue<int,deque<int>,greater<int>> pq; //显示构建小堆
pq.push(1);
pq.push(3);
pq.push(8);
pq.push(0);
pq.push(7);
pq.push(6);
pq.push(4);
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。就拿日期类举例，除了上面的代码还需要一下代码，也可再写出属于自定义类型数据独有的仿函数比较方式。
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;
};
class pDateGreater
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 > *p2;
}
};
class pDateLess
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 < *p2;
}
};
void test_priority_queue()
{
//如果还找原来的
priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q1;
q1.push(Date(2018, 10, 29));
q1.push(Date(2018, 10, 30));
q1.push(Date(2018, 10, 28));
cout << q1.top() << endl;
//priority_queue<Date*, vector<Date*>, less<Date*>> q2;
priority_queue<Date*, vector<Date*>, pDateLess> q2;
q2.push(new Date(2018, 10, 29));
q2.push(new Date(2018, 10, 30));
q2.push(new Date(2018, 10, 28));
cout << *(q2.top()) << endl;
}
四、容器适配器
4.1 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。
所以适配器的本质就是将一个原来存在的东西通过某种方式或某个东西转化为另外一种类型的东西，使其具有属于自己独特属性的东西。举个简单例子来看，这就类似于日常生活中的插座一样，将原来220v交流电转化为充电器对应电器合适的电压电流。
4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
上面讲到的stack、queue和priority_queue中虽然可以存放元素，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，这是因为它们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，priority_queue默认使用vector。
五、什么是deque？
5.1 deque的原理
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。
deque底层空间并不是像上图一样是连续的，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，其大致底层结构如下图所示：在map中，每一个空间都指向一段类似定长空间的数组，各个数组之间虽然空间不连续，但是结构上是连续的，当某个数组走到尾部时，再继续往后走一步就会来到下一个数组地头部。
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：我们把map对应的结构称为中控器，每一个空间可称为中控节点，迭代器中node指向中控器的中控节点，first指向中控节点对应缓冲区的起始位置，last指向中控节点对应缓冲区的结束位置，cur指向当前迭代器指针指向的缓冲区的某个元素位置。
5.2 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。
当初deque被设计出来的时候是想代替vector和list，想让deque同时拥有vector和list的优点，但是历史证明，它的出现并没有激起特别大的浪花，根本威胁不到那两个容器的地位，既没有同时拥有vector和list的优点，而且还拥有特性并没有像它们那么极致。本来想能文能武，结果最后文不行武也不行。
5.3 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。
总结
以上内容就是对于STL中的配接器、空间适配器以及栈和队列的底层默认容器的介绍，整体内容较为简单，大体作为一个了解即可，到此呢针对于STL的学习也到一段落。
