【C++】STL--priority_queue和queue

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发布于 2024-11-22 20:52:01

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1. queue的介绍和使用

1.1queue的使用

queue的文档介绍

翻译：

1. 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。

2. 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。

3. 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

4. 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

1.2.queue的使用

常用的几个接口

代码演示如下

int main()
{
	queue<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	st.push(5);
	cout << st.size() << endl;
	cout << st.front() << endl;
	st.pop();
	cout << st.front() << endl;
	cout << st.empty() << endl;
	return 0;
}

1.3 用队列实现栈

题目链接：用队列实现栈

题目描述：

思路：本题我们之前讲过C版本的，而现在我们来用C++来实现，用C++来做本题就不需要上自己造轮子了，大概思路就是用两个队列来实现，一个用来存数据，还有一个队列保持为空，入数据一定要入不为空的队列，如果要出队就把前n-1个数据导入到空的那个队列，然后进行出队即可。

参考代码

class MyStack {
public:
    MyStack() {

    }
    
    void push(int x) {
        if(q1.empty())
        {
            q2.push(x);
        }
        else
        {
            q1.push(x);
        }
    }
    
    int pop() {
        queue<int>& Empty = q1.empty() ? q1:q2;
        queue<int>& NEmpty = q1.empty() ? q2: q1;
        while(NEmpty.size()>1)
        {
            Empty.push(NEmpty.front());
            NEmpty.pop();
        }
        int ret = NEmpty.front();
        NEmpty.pop();
        return ret;
    }
    
    int top() {
    queue<int>& NEmpty = q2;
    queue<int>& Empty = q1;
    if(!q1.empty())
    {
        NEmpty = q1;
        Empty = q2;
    }

    while(NEmpty.size()>1)
    {
        Empty.push(NEmpty.front());
        NEmpty.pop();
    }
       
    int ret = NEmpty.front();
    Empty.push(ret);
    NEmpty.pop();
    return ret;
    }
    
    bool empty() {
        return q1.empty() && q2.empty();
    }
private:
    queue<int>q1;
    queue<int>q2;
};

/**
 * Your MyStack object will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = new MyStack();
 * obj->push(x);
 * int param_2 = obj->pop();
 * int param_3 = obj->top();
 * bool param_4 = obj->empty();
 */

2.queue的模拟实现

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，故可以借助list来模拟实现queue，具体如下：

#pragma once
#include <deque>
namespace xc
{
	template <class T,class Container = deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		const T& top()const
		{
			return _con.back();
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		size_t size()const
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

3.deque的介绍

3.1什么是适配器

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

3.1 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：

3.4 deque的简单介绍(了解)

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，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：

3.5 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。

3.6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。

deque的文档介绍

deque相当于是vector和list的缝合怪

总结：

1.deque头插尾插效率高，更甚于vector和list

2.下标随机访问也不错，但是比不上vector

3.中间插入删除效率很低，要挪动数据是O(N)

4.priority_queue的介绍和使用

priority_queue的文档介绍

翻译：

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。

4.1priority_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。

常用接口

#include <vector>
#include <iostream>
#include <stack>
#include <list>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
using namespace std;

int main()
{
	// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
	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() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;

	// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	while (!q2.empty())
	{
		cout << q2.top() << " ";
		q2.pop();
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

5.priority_queue的模拟实现

通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对对进行通用的封装即可。

#pragma once
#include <vector>
// 仿函数：本质是一个类，这个类重载operator(),他的对象可以像函数一样使用
template<class T>
class Greater
{
public:
	bool operator()(const T& x, const T& y)
	{
		return x > y;
	}
};
template<class T>
class Less
{
public:
	bool operator()(const T& x, const T& y)
	{
		return x  < y;
	}
};
namespace xc
{
	//默认是大堆(降序)
	template<class T,class Container = vector<T>,class Compare = Less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		void AdjustUp(int child)
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			AdjustUp(_con.size()-1);
		}
		void AdjustDown(int parent)
		{
			// 先假设左孩子小
			size_t child = parent * 2 + 1;
			Compare com;
			while (child < _con.size())
			{
				//找出小的那个孩子
				if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
				{
					++child;
				}
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void pop()
		{
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			AdjustDown(0);
		}
		const T& top()
		{
			return _con[0];
		}
		size_t size()const
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}