【C++/STL】stack和queue(容器适配器、优先队列、双端队列)

目录

stack的介绍

stack常用接口

queue的介绍

queue的使用

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

STL的六大组件

模拟实现

stack

queue

优先队列

常用接口

简单使用

sort函数排序

模拟实现(简单版)

自定义类型

测试完整代码

queue.h

stack.h

test.cpp

前言

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stack的介绍

1. stack是一种容器适配器。
2. 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。
3. stack的底层容器应该支持以下操作：empty 、back、push_back、pop_back
4. 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。

stack常用接口

queue的介绍

1. 队列是一种容器适配器。
2. 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，size，front，back，push_back，pop_front。
3. 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。（vector不满足，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）

queue的使用

容器适配器

什么是适配器

适配器是一种设计模式，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。

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。
• 与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高。
• 在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，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。

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。

STL的六大组件

模拟实现

stack

queue

stack和queue的模拟实现基本一样。

优先队列

• 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。

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。

常用接口

简单使用

我们插入时，是乱序插入的，取出来却是降序的。因为优先队列默认是大堆，不过它并没有在里面进行排序，它在里面依旧是乱序的，只是取出来的是堆顶，是最大的。

如果我们想让他是小堆，就得改一下他的仿函数。

sort函数排序

sort排序默认是升序，想要降序就得改仿函数。注意这里是函数模板，要传对象，所以有括号。而优先队列那里没有括号，是因为那里是类模板。

在C语言中，我们排序如果要控制升序降序，传的是函数指针。而这里我们传的是仿函数。

上方是仿函数的简单模拟。

模拟实现(简单版)

上面是默认的大堆。如果想要它是小堆，要怎么办呢?

如下图修改：

这样做的优势是，我们只需要传不同的仿函数即可修改为升序或者降序。不传默认是大堆。

自定义类型

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。

上面是日期类，Date类型，比较时，只需要重载运算符即可。如果我们传的是Date*又该怎么办呢？

可以看到，第二行每次的结果都是不一样的。空间并不一定越晚开，地址就越高。 这里不能通过重载运算符解决，因为重载必须包含自定义类型，而指针是内置类型。解决方法是：专门写一个仿函数。

从这个样例可以得出，仿函数不仅可以控制比较逻辑，还可以控制如何比较。

测试完整代码

queue.h

stack.h

test.cpp