STL - stack 和 queue 及容器适配器模式的介绍

文章目录

1. stack 的介绍和使用
- 1.1 stack 的介绍
- 1.2 stack 的接口及使用
- 1.3 stack 的模拟实现
2. queue 的介绍和使用
- 2.1 queue 的介绍
- 2.2 queue 的接口及使用
- 2.3 queue 的模拟实现
3. priority_queue的介绍和使用
- 3.1 priority_queue 的介绍
- 3.2 priority_queue 的接口及使用
- 3.3 priority_queue 的模拟实现
4. 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
- 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
- 4.5 stack 和 queue 的模拟实现
- - 4.5.1 stack 的模拟实现
  - 4.5.2 queue 的模拟实现

1. stack 的介绍和使用

1.1 stack 的介绍

std::stack 是 C++ 标准库中的一种容器适配器（Container Adapter），它基于其他容器（如 std::deque、std::vector 或 std::list）实现，提供==后进先出（LIFO, Last-In-First-Out）==的数据结构行为。它不是一个独立的容器，而是通过限制底层容器的接口来实现栈的功能。

1.2 stack 的接口及使用

函数调用	接口说明
stack()	构造空的栈
empty()	检测stack是否为空，是返回true，否则返回false
size()	返回stack中元素的个数
top()	返回栈顶元素的引用
push()	入栈
pop()	将栈顶元素弹出

1.3 stack 的模拟实现

stack 实际上就是一种特殊的 vector，可以直接调用 vector 的接口来实现 stack。

#include <iostream>
using namespace std;

#include <stack>

int main()
{
	stack<int> st;
	st.push(5);
	st.push(4);
	st.push(3);
	st.push(2);
	st.push(1);
	while (!st.empty())
	{
		cout << "栈剩余元素：" << st.size() << " 栈顶元素为：" << st.top() << endl;
		st.pop();
	}

	return 0;
}

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2. queue 的介绍和使用

2.1 queue 的介绍

std::queue 是 C++ 标准库中的一种容器适配器（Container Adapter），基于其他容器（如 std::deque 或 std::list）实现，提供==先进先出（FIFO, First-In-First-Out）==的数据结构行为。它不是独立的容器，而是通过封装底层容器并限制其接口来实现队列功能。

2.2 queue 的接口及使用

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()	返回队列中元素个数
front()	返回队头元素的引用
back()	返回队尾元素的引用
push()	入队列
pop()	将队头元素出队列

#include <iostream>
using namespace std;
#include <queue>

int main()
{
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);

	while (!q.empty())
	{
		cout << "队列剩余元素个数：" << q.size() << " 队头元素：" << q.front() << " 队尾元素：" << q.back() << endl;
		q.pop();
	}
	return 0;
}

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2.3 queue 的模拟实现

queue 需要头插和尾删，使用 vector 容器来封装的话效率太低，所以这里选择 list 容器来封装。

#include <list>
namespace zkp
{
	template<class T>
	class queue
	{
	public:
		queue() {}
		void push(const T& x) { _c.push_back(x); }
		void pop() { _c.pop_front(); }
		T& back() { return _c.back(); }
		const T& back()const { return _c.back(); }
		T& front() { return _c.front(); }
		const T& front()const { return _c.front(); }
		size_t size()const { return _c.size(); }
		bool empty()const { return _c.empty(); }
	private:
		std::list<T> _c;
	};
}

3. priority_queue的介绍和使用

3.1 priority_queue 的介绍

std::priority_queue 是 C++ 标准库中的一种容器适配器（Container Adapter），基于其他容器（如 std::vector 或 std::deque）实现，提供优先级队列的功能。它不是独立的容器，而是通过堆（Heap）数据结构自动维护元素的优先级顺序。默认情况下，元素按从大到小的顺序排列（最大堆），优先级最高的元素（即最大值）始终位于队头。

3.2 priority_queue 的接口及使用

注意：

默认情况下是大堆

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()	在优先级队列中插入元素 val
pop()	删除堆顶元素

#include <iostream>
using namespace std;
#include <queue>

int main()
{
	priority_queue<int> pq;
	pq.push(1);
	pq.push(1);
	pq.push(4);
	pq.push(5);
	pq.push(1);
	pq.push(4);

	while (!pq.empty())
	{
		cout << "堆内元素数量为：" << pq.size() << " 堆顶元素为：" << pq.top() << endl;
		pq.pop();
	}

	return 0;
}

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3.3 priority_queue 的模拟实现

主要还是向上调整和向下调整算法，不清楚的去看: 二叉树、堆。因为是通过传入数组来构造堆的，所以无法直接再原数组上操作，也就无法使用向下建堆法。至于迭代器版本的构造，我懒得写了，有兴趣的自己实现一下。

#include <vector>

namespace zkp
{
	template<class T>
	class priority_queue
	{
	public:
		// 向上调整算法
		void AdjustUp()
		{
			int child = _c.size() - 1;
			int parent = (child - 1) / 2;	// 通过下标关系计算出父节点下标
			while (child > 0)				// 当子节点下标大于 0 时就继续调整
			{
				if (_c[child] < _c[parent])	// 这里以小堆为例，所以子小于父的时候交换两节点数据，将小的元素往上调
				{
					swap(_c[parent], _c[child]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break; // 到达合适位置的时候跳出循环
				}
			}
		}
		// 向下调整算法
		void AdjustDown()
		{
			int parent = 0;
			// 假设左孩子小
			int child = parent * 2 + 1;

			while (child < _c.size()) // child >= n说明孩子不存在，调整到叶子了
			{
				// 找出小的那个孩子，确保child指向的是小的孩子节点
				if (child + 1 < _c.size() && _c[child + 1] < _c[child])
				{
					++child;
				}

				if (_c[child] < _c[parent])	// 孩子节点比父节点小就进行交换
				{
					swap(_c[child], _c[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;	// 到合适的位置跳出循环
				}
			}
		}
		void push(T x)
		{
			_c.push_back(x);
			AdjustUp();
		}
		void pop()
		{
			swap(_c[0], _c[_c.size() - 1]);
			_c.pop_back();
			AdjustDown();
		}


		priority_queue() {}
		T& top() { return _c.front(); }
		const T& top()const { return _c.front(); }
		size_t size()const { return _c.size(); }
		bool empty()const { return _c.empty(); }
	private:
		std::vector<T> _c;
	};

	void test()
	{
		priority_queue<int> p;
		p.push(1);
		p.push(1);
		p.push(4);
		p.push(5);
		p.push(1);
		p.push(4);
		while (!p.empty())
		{
			cout << "堆内元素数量为：" << p.size() << " 堆顶元素为：" << p.top() << endl;
			p.pop();
		}
	}
}

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4. 容器适配器

4.1 什么是适配器？

总所周知，我国的家庭电路电压是 220V。我们的笔记本电脑就有一个适配器，拿我的电脑来说，它是 20V，280W的，它直接接在家用电路上肯定是不行的，所以就有了电脑适配器这玩意。它就是将家用电路的 220V电压转换成电脑能使用的 20V电压用的。
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

前面就提到过，STL 中的 stack、queue 都是容器适配器，那么到底怎么体现出来呢？
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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。
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

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。

4.5 stack 和 queue 的模拟实现

4.5.1 stack 的模拟实现

#include<deque>
namespace zkp
{
	template<class T, class Con = deque<T>>
	//template<class T, class Con = vector<T>>
	//template<class T, class Con = list<T>>
	class stack
	{
	public:
		stack() {}
		void push(const T& x) { _c.push_back(x); }
		void pop() { _c.pop_back(); }
		T& top() { return _c.back(); }
		const T& top()const { return _c.back(); }
		size_t size()const { return _c.size(); }
		bool empty()const { return _c.empty(); }
	private:
		Con _c;
	};
}

4.5.2 queue 的模拟实现

#include<deque>
namespace zkp
{
	template<class T, class Con = deque<T>>
	//template<class T, class Con = list<T>>
	class queue
	{
		public :
		queue() {}
		void push(const T& x) { _c.push_back(x); }
		void pop() { _c.pop_front(); }
		T& back() { return _c.back(); }
		const T& back()const { return _c.back(); }
		T& front() { return _c.front(); }
		const T& front()const { return _c.front(); }
		size_t size()const { return _c.size(); }
		bool empty()const { return _c.empty(); }
	private:
		Con _c;
	};
}