[C/C++]详解STL容器3--stackqueue和priority_queue的功能和模拟实现，deque和容器适配器的介绍

Posted 2021-10-15 TT在长大

本文介绍了stack、queue和priority_queue的常用接口的使用，并对其进行了模拟实现，还对deque和容器适配器进行了介绍。

一、stack的功能和模拟实现

1.stack的介绍

stack<T>容器适配器中的数据是以 LIFO 的方式组织的,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。

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。

标准容器vector、deque、list均符合stack的需求，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。 

 2.stack的使用

 

函数说明	接口说明
stack()	构造空的栈
empty()	检测stack是否为空
size()	返回stack中元素的个数
top()	返回栈顶元素的引用
push()	将元素val压入stack中
pop()	将stack中尾部的元素弹出

 3. stack的模拟实现

 栈的模拟实现十分简单。

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

namespace Zht
{
  template <class T, class Container = vector<T> >    //stack是容器适配器，以现有的容器作为底部结构，将其改造为符合栈需求的接口。
  class stack 
  {
  public:
    void push(const T& x)
    {
      _c.push_back(x);
    }

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

    T top()
    {
      return _c.back();
    }

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

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

二、queue的功能和模拟实现

 1.queue的介绍

 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。

标准容器类deque和list满足了queue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.queue的使用

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()	在队尾将元素val入队列
pop()	将队头元素出队列

3. 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。

#include <iostream>
#include <deque>

using namespace std;

namespace Zht
{
  template <class T, class Container = deque<T>>
  class queue
  {
    public:
      void push(const T& x)
      {
        _con.push_back(x);
      }

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

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

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

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

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

三、priority_queue的功能和模拟实现

 1.priority_queue的介绍 

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。

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。

 

2.priority_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。默认情况下priority_queue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(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

3. priority_queue的模拟实现

默认情况下priority_queue建立大堆。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。

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

namespace Zht
{
  template <class T>      //仿函数，构造对象
  struct less
  {
    bool operator()(const T& l, const T& r)   
    {
      return l < r;
    }
  };

  template <class T>
  struct greater
  {
    bool operator()(const T& l, const T& r)
    {
      return l > r;
    }
  };

  template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>
  class priority_queue            //优先队列本质上时堆，默认建大堆
  {
    public:
    void AdjustUp(size_t child)   //建堆
    {
      Compare com;

      size_t parent = (child - 1) / 2;      //父节点是子节点的 - 1  /2
      
      while(child > 0)      //子节点到堆顶结束
      {
       // if(_con[parent] > _con[child])
        if(com(_con[parent], _con[child]))    //用了重载的（）
        {
          swap(_con[parent], _con[child]);
          child = parent;
          parent = (child - 1) / 2; 
        }
        else                  //小于交换，不小于结束建堆
        {
          break;
        }
      }
    }

    void push(const T& x)
    {
      _con.push_back(x);
      AdjustUp(_con.size() - 1);        //最后一节点，即插入的节点的序号
    }

    void AdjustDown(size_t parent)      //向下建堆
    {
      Compare com;

      size_t child = parent * 2 + 1;
      
      while(child < _con.size())
      {
        //if(child + 1 < _con.size() && _con[child] > _con[child + 1])    //确定左右最小的子节点
        if(child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))    //确定左右最小的子节点
        {
            ++child;
        }

        //if(_con[parent] > _con[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]);   //堆顶与最后一个节点交换，方便排序
      _con.pop_back();
      AdjustDown(0);      //从堆顶重新向下建堆
    }

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

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

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

    private:
      Container _con;

  };
}

四、deque的介绍

1.deque的原理

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：

 2.deque的优缺

 与vector比较优势是：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比较优势是：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。

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，

STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

3.deque作为stack和queue底层默认容器的原因

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，避开了其缺陷。

五、容器适配器

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。它在一般序列容器的基础上提供了一些不同的功能。之所以称作适配器类，是因为它可以通过适配容器现有的接口来提供不同的功能。

1.STL标准库中stack和queue的底层结构

在STL中并没有将stack和queue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。