STL篇四：stack和queue

文章目录

前言
1.stack的介绍和模拟实现
- 1.1 stack的介绍
- 1.2 stack的模拟实现
2. Queue的介绍和模拟实现
- 2.1 Queue的介绍
- 2.2 Queue的模拟实现
3.priority_queue的介绍和模拟实现
- 3.1 priority_queue的介绍
- 3.2 priority_queue模拟实现
- 3.3 仿函数
4.容器适配器
- 4.1 什么是容器适配器
- 4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
- 4.3 deque的简单介绍
- - 4.3.1 deque的原理介绍
  - 4.3.2 deque的缺陷
- 4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
5.总结

前言

栈和队列的实现相交于之前的内容简单很多，因为它的实现可以复用其他的容器。

1.stack的介绍和模拟实现

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的模拟实现

在这里插入图片描述
首先要说明的是什么是复用，实际上就是进一步的封装，stack的底层实现就是对其他容器的封装，通过使用其他容器的接口来实现本身的后进先出的这一特性。

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

namespace WY
{
	template<class T,class Container>
	class Stack
	{
	public:
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
	void Test()
	{
		Stack<int, vector<int>> st;
		st.push(1);
		st.push(2);
		st.push(3);
		st.push(4);

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

		cout << endl;
	}
}

这里使用的是vector作为底层容器，实际上就是通过vector的尾插、尾删等来实现队列的后进先出。如果想要使其与其他容器使用方式一致的话，只需要在模板参数中为容器添加上缺省参数，这样就不需要自己实例化了。
最小栈
栈的压入、弹出序列
逆波兰表达式求值
大家可以通过练习题来熟练stack的使用，

2. Queue的介绍和模拟实现

2.1 Queue的介绍

queue的使用文档

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的模拟实现

在这里插入图片描述

Queue的模拟实现与stack一样，都是通过对其他容器进行封装来实现自身先进先出的特性。

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>
using namespace std;

namespace WY
{
	template<class T, class Container>
	class Queue
	{
	public:

		void push(const T& x)
		{
			_con.push_pop(x);
		}

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

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};

	void test_Queue1()
	{
		Queue<int, list<int>> q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);

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

用队列实现栈

3.priority_queue的介绍和模拟实现

3.1 priority_queue的介绍

优先级队列的文档介绍

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，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类实例化指定容器类，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。

3.2 priority_queue模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

namespace WY
{
	template<class T>
	class Less
	{
	public:
		bool operator()(T& x, T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T>
	class Less<T*>
	{
	public:
		bool operator()(T* x, T* y)
		{
			return *x < *y;
		}
	};

	template<class T,class Container = vector<T>,class Compare = Less<T>>
	class Priority_Queue
	{
	public:
		void Adjust_Up(size_t child)
		{
			Compare _cmp;
			size_t parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//孩子大于父亲，进行交换，大堆
				if (_cmp(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
				}
				else
				{
					break;
				}
				child = parent;
				parent = (child - 1) / 2;
			}
		}

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

		void Adjust_Down(size_t parent)
		{
			Compare _cmp;
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				if (child + 1 < _con.size() && _cmp(_con[child] , _con[child + 1]))
				{
					child++;
				}
				
				//孩子大于父亲，交换，大堆
				if (_cmp(_con[parent] , _con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
				}
				else
				{
					break;
				}
				parent = child;
				child = parent * 2 - 1;
			}
		}

		void pop()
		{
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			Adjust_Down(0);
			
		}

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

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};


	void test1()
	{
		Priority_Queue<int> pq;

		pq.push(1);
		pq.push(3);
		pq.push(5);
		pq.push(4);

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

	void test2()
	{
		Priority_Queue<int*> pq;

		pq.push(new int(1));
		pq.push(new int(5));
		pq.push(new int(3));
		pq.push(new int(7));
		

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

里面有需要注意一下的是仿函数，也就是其中的Less，它是用来控制是升序输出还是降序输出，在C语言中，如果我们想改变降序或者升序，我们是需要修改代码的，但是在C++中，增加了仿函数，它的作用就是为了修补这个缺陷。

3.3 仿函数

仿函数实际上也是一个类，而这个类只实现了()的重载，这能够在使用它时像使用函数一样。

class compare
{
public:
	bool operator()(int x, int y)
	{
		return x < y;
	}
};

template<class T>
class Compare
{
public:
	bool operator()(const T& x,const T&y)
	{
		return x < y;
	}
};

int main()
{
	Compare<int> cmp;
	cout << cmp(1,2) << endl; //使用时和函数一样
	cout << cmp.operator()(1, 2) << endl;
}

也就是它替代了优先级队列底层中需要比较大小的部分，可以通过不同的仿函数来控制是升序还是降序。（需要对底层有一定的了解）

4.容器适配器

4.1 什么是容器适配器

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。

4.2 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，比如：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4.3 deque的简单介绍

4.3.1 deque的原理介绍

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。

4.3.2 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。

4.4 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。

5.总结

stack与queue的实现原理比较简单，容易理解，更多的还是让大家体会到了复用的好处，很多时候许多相似的功能我们都可以进行复用，前提是你的功能实现的足够独立、清晰，这样才有可能进行复用。如果大家有难以理解的地方，可以私信给我，我看到之后会帮助大家解决问题，希望能与大家共同进步。
如果大家发现有什么错误的地方或者有什么问题，可以私信或者评论区指出喔。我会继续深入学习C++，希望能与大家共同进步，那么本期就到此结束，让我们下期再见！！觉得不错可以点个赞以示鼓励！！