C++ STL——栈和队列（stack & queue）
本节目标
1.stack的介绍和使用及其模拟实现
2.queue的介绍和使用及其模拟实现
3.priority_queue的介绍和使用及其模拟实现
4.容器适配器
1.stack的介绍和使用及其模拟实现
1.1 stack的介绍
根据stack的文档介绍可以知道，stack是一种容器适配器，专门设计用于在后进先出上下文（后进先出）中运行，其中元素仅从容器的一端插入和提取。
stack作为容器适配器实现，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。元素从特定容器的“背面”推出/弹出，这被称为stack的顶部(即栈顶)。
stack的底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是一些其他专门设计的容器类。容器应支持以下操作：
- empty
- back
- push_back
- pop_back
标准容器类?vector、deque、? ??list?，均满足这些要求。默认情况下，如果未为特定类实例化指定容器类，则使用标准容器deque作为底层容器。
1.2 stack的使用
以上是stack的成员函数，用蓝色框框框起来的几个成员函数接口是需要重点掌握的
简单说明：
1.stack()是构造一个空的stack
2.empty()是用于判断stack是否为空
3.size()是用来返回stack中元素的个数
4.top()适用于返回栈顶元素的引用
5.push()将元素压入stack中
6.pop()将stack中尾部的元素弹出
下面对这几个接口进行使用，以下是简单的测试代码：
#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;
void test_stack1()
{
stack<int> st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
while (!st.empty())
{
cout << st.top() <<" ";
st.pop();
}
}
int main()
{
test_stack1();
return 0;
}运行结果如下：
当然也不一定是入1，2，3，4出的序列就一定是4,3,2,1。也可以边入边出
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;
void test_stack1()
{
stack<int> st;
st.push(1);
st.push(2);
cout << st.top() << " ";
st.pop();
st.push(3);
st.push(4);
while (!st.empty())
{
cout << st.top() <<" ";
st.pop();
}
}
int main()
{
test_stack1();
return 0;
}运行结果如下：
学会了如何使用之后我们可以对该oj题进行挑战
OJ题参考：
class MyQueue {
public:
MyQueue() {
}
void push(int x) {
st1.push(x);
}
int pop() {
if(st2.empty())
{
while(!st1.empty())
{
st2.push(st1.top());
st1.pop();
}
}
int top = st2.top();
st2.pop();
return top;
}
int peek() {
if(st2.empty())
{
while(!st1.empty())
{
st2.push(st1.top());
st1.pop();
}
}
return st2.top();
}
bool empty() {
return st1.empty()&&st2.empty();
}
private:
stack<int> st1;//用来实现从队尾入队列
stack<int> st2;//用来实现从队头出队列
};参考实现：
思路是用两个栈来实现，一个用来放栈中的数据，一个用来存放该栈数据中的最小值，如果初始时st为空，那么push的就是目前栈中的最小值，然后把这个最小值在Minst这个栈中push进去，如果st中push的值小于Minst目前的最小值则要继续push,如果与最小值相等，为了pop之后不受影响，则也要在Minst中继续push该相等的最小值，这样就能实现一直能够获取栈中的最小值了。
class MinStack {
public:
MinStack() {
}
void push(int val) {
if(st.empty()||Minst.top()>=val)
{
Minst.push(val);
}
st.push(val);
}
void pop() {
if(st.top()==Minst.top())
{
Minst.pop();
}
st.pop();
}
int top() {
return st.top();
}
int getMin() {
return Minst.top();
}
stack<int> st;
stack<int> Minst;
};解题思路：
代码参考实现：
class Solution {
public:
/**
* 代码中的类名、方法名、参数名已经指定，请勿修改，直接返回方法规定的值即可
*
*
* @param pushV int整型vector
* @param popV int整型vector
* @return bool布尔型
*/
bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {
// write code here
stack<int> st;
int pushi= 0,popi = 0;
while(pushi<pushV.size())
{
st.push(pushV[pushi]);
while(!st.empty()&&st.top()==popV[popi])
{
st.pop();
popi++;
}
pushi++;
}
return st.empty();
}
};1.3stack的模拟实现
#include<deque>
namespace mystack
{
template<class T, class Container=deque<T>>
class stack
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_back();
}
const T& top()
{
return _con.back();
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}
模拟实现功能测试代码：
void test_stack2()
{
mystack::stack<int> st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
}运行结果截图：
2.queue的介绍和使用及其模拟实现
2.1 queue的介绍
根据queue的文档介绍可以知道,
队列?是一种容器适配器，专门设计用于在 FIFO 上下文（先进先出）中运行，其中元素插入容器的一端并从另一端提取。
队列作为容器适配器实现，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其基础容器的类，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“背面”(即队尾)，并从其“正面”(即队头)弹出。
基础容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他一些专门设计的容器类。此基础容器应至少支持以下操作：
- empty
- size
- front
- back
- push_back
- pop_front
标准容器类，并满足这些要求。默认情况下，如果未为特定类实例化指定容器类，则使用标准容器。deque? ?list? ?queue? ? ?deque
2.2 queue的使用
以上是queue的成员函数接口，下面对这几个接口进行简单介绍:
1.queue()是构造一个空的queue
2.empty()是用于判断queue是否为空,是的话返回true,否则返回false.
3.size()是用来返回queue中元素的个数
4.top()适用于返回队头元素的引用
5.push()在队尾将元素入队列
6.pop()将队头元素出队列
下面我们对这些成员函数接口进行使用
#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;
void test_queue1()
{
queue<int> q;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " ";
q.pop();
}
}
int main()
{
test_queue1();
return 0;
}运行结果如下：
熟悉了这些使用之后我们可以挑战一些该oj题目:
2.3 queue的模拟实现
namespace myqueue
{
template<class T,class Container=deque<T>>
class queue
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(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;
};
}
代码测试：
void test_queue2()
{
myqueue::queue<int> q;
q.push(4);
q.push(3);
q.push(1);
q.push(0);
q.push(2);
q.push(5);
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " ";
q.pop();
}
cout << endl;
}运行结果：
3.?priority_queue的介绍和使用及其模拟实现
3.1 priority_queue的介绍
1. 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。
2. 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)。
3. 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。
4. 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
5. 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。
6. 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的使用
以上是priority_queue的成员函数接口，下面对常用的接口进行简单说明
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
在OJ中的使用：
3.3 priority_queue的模拟实现
#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
// priority_queue--->堆
namespace mypriority_queue
{
template<class T>
struct less
{
bool operator()(const T& left, const T& right)
{
return left < right;
}
};
template<class T>
struct greater
{
bool operator()(const T& left, const T& right)
{
return left > right;
}
};
template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
class priority_queue
{
public:
// 创造空的优先级队列
priority_queue() : c() {}
template<class Iterator>
priority_queue(Iterator first, Iterator last)
: c(first, last)
{
// 将c中的元素调整成堆的结构
int count = c.size();
int root = ((count - 2) >> 1);
for (; root >= 0; root--)
AdjustDown(root);
}
void push(const T& data)
{
c.push_back(data);
AdjustUP(c.size() - 1);
}
void pop()
{
if (empty())
return;
swap(c.front(), c.back());
c.pop_back();
AdjustDown(0);
}
size_t size()const
{
return c.size();
}
bool empty()const
{
return c.empty();
}
// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性
const T& top()const
{
return c.front();
}
private:
// 向上调整
void AdjustUP(int child)
{
int parent = ((child - 1) >> 1);
while (child)
{
if (Compare()(c[parent], c[child]))
{
swap(c[child], c[parent]);
child = parent;
parent = ((child - 1) >> 1);
}
else
{
return;
}
}
}
// 向下调整
void AdjustDown(int parent)
{
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < c.size())
{
// 找以parent为根的较大的孩子
if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))
child += 1;
// 检测双亲是否满足情况
if (Compare()(c[parent], c[child]))
{
swap(c[child], c[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
return;
}
}
private:
Container c;
};
}
void TestQueuePriority()
{
mypriority_queue::priority_queue<int> q1;
q1.push(5);
q1.push(1);
q1.push(4);
q1.push(2);
q1.push(3);
q1.push(6);
cout << q1.top() << endl;
q1.pop();
q1.pop();
cout << q1.top() << endl;
vector<int> v{ 5,1,4,2,3,6 };
mypriority_queue::priority_queue<int, vector<int>, mypriority_queue::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
cout << q2.top() << endl;
q2.pop();
q2.pop();
cout << q2.top() << endl;
}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：
4.3deque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
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：
1. 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。
2. 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。
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