stack和queue的模拟实现
- 容器适配器
- 什么是适配器
- STL标准库中stack和queue的底层结构
- deque的简单介绍
- deque的缺陷
- stack模拟实现
- queue模拟实现
- priority_queue
- priority_queue的使用
- priority_queue的模拟实现
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。
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。
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。
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。
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：
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
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。
stack模拟实现
stack是一种后入先出的数据结构，有了容器适配器以后，就可以很容易去实现它了：
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| 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 |
| swap() | 交换两个栈中的数据 |
#pragma once
#include<deque>
namespace gtt
{
template<class T, class Container = deque<T>>
class stack
{
public:
//插入
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
//删除
void pop()
{
_con.pop_back();
}
//取栈顶元素
T& top()
{
return _con.back();
}
const T& top() const
{
return _con.back();
}
//判空
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
//求有效元素个数
size_t size() const
{
return _con.size();
}
//交换两个栈的数据
void swap(stack<T, Container>& st)
{
_con.swap(st._con);
}
private:
Container _con;
};
}
queue模拟实现
队列是队尾入，队头出的数据结构：
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| 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() | 将元素val压入stack中 |
| pop() | 将队头元素出队列 |
| swap() | 交换两个队列中的数据 |
#pragma once
#include<deque>
namespace gtt
{
template<class T, class Container = deque<T>>
class queue
{
public:
//插入
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
//删除
void pop()
{
_con.pop_front();
}
//取队头元素
T& front()
{
return _con.front();
}
const T& front() const
{
return _con.front();
}
//取队尾元素
T& back()
{
return _con.back();
}
const T& back()const
{
return _con.back();
}
//判空
bool empty()
{
return _con.empty();
}
//有效元素个数
size_t size() const
{
return _con.size();
}
//交换两个栈中的数据
void swap(queue<T, Container>& q)
{
_con.swap(q._con);
}
private:
Container _con;
};
}
priority_queue
priority_queue被称作为优先级队列，类似于我们数据结构阶段所学习的堆：
- 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，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。
- 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类实例化指容器类，则使用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。
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 |
#include<iostream>
#include<vector>
#include<functional>
#include<queue>
using namespace std;
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 priority_queue_test()
{
//默认情况下创建的是大堆
vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };
priority_queue<int> q1;
for (auto& e : v)
{
q1.push(e);
}
while (!q1.empty())
{
cout << q1.top() << " ";//9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
q1.pop();
}
cout << endl;
//创建小堆，需要第三个模板参数换出greater比较方式
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> heap(v.begin(), v.end());
while (!heap.empty())
{
cout << heap.top() << " ";//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
heap.pop();
}
cout << endl;
//如果需要自定义数据，则需要对运算进行重载
// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
priority_queue<Date> q2;
q2.push(Date(2018, 10, 29));
q2.push(Date(2018, 10, 28));
q2.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q2.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>> q3;
q3.push(Date(2018, 10, 29));
q3.push(Date(2018, 10, 28));
q3.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q2.top() << endl;
}
int main()
{
priority_queue_test();
return 0;
}
priority_queue的模拟实现
在这儿我们需要了解仿函数的概念：
仿函数（Functor）又称为函数对象（Function Object）是一个能行使函数功能的类。仿函数的语法几乎和我们普通的函数调用一样，不过作为仿函数的类，都必须重载 operator() 运算符。因为调用仿函数，实际上就是通过类对象调用重载后的 operator() 运算符。
通过下面这段代码我们就可以很好的认识我们的仿函数：
namespace gtt
{
template<class T>
class less
{
public:
bool operator()(const T& l, const T& r) const
{
return l < r;
}
};
template<class T>
class greater
{
public:
bool operator()(const T& l, const T& r) const
{
return l > r;
}
};
}
int main()
{
gtt::less<int> lsFunc1;
cout << lsFunc1(1, 2) << endl;
gtt::greater<int> lsFunc2;
cout << lsFunc2(1, 2) << endl;
return 0;
}
我们可以将优先级队列就理解为一个堆结构，他的实现也就是一个建堆的过程，就像我们实现堆一样，需要用到向上，向下调整算法，下面就是priority_queue的模拟实现：
namespace gtt
{
//Compare时进行比较的仿函数，less->大堆， greater->小堆
template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = std::less<T>>
class priority_queue
{
public:
//构造函数
priority_queue()
{}
template<class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
_con.push_back(*first);
first++;
}
//建堆
for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
{
adjust_down(i);
}
}
//向上调整算法
void adjust_up(size_t child)
{
Compare com;
size_t parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
//建大堆
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
std::swap(_con[parent], _con[child]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
//堆的插入
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
adjust_up(_con.size() - 1);
}
//向下调整算法
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++;
}
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
std::swap(_con[parent], _con[child]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
//堆的删除
void pop()
{
std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.pop_back();
adjust_down(0);
}
//取堆顶元素
const T& top()
{
return _con[0];
}
//判断堆是否为空
bool empty()
{
return _con.empty();
}
//堆有效元素个数
size_t size()
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
}
