★ C++基础篇 ★ 栈和队列

server/2024/9/25 22:27:15/

Ciallo～(∠・ω< )⌒☆ ~ 今天，我将继续和大家一起学习C++基础篇第八章----栈和队列 ~

目录

一  容器适配器

二  deque的简单介绍

2.1 deque的原理介绍

2.2 deque vector list 的优缺点

2.2.1 vector

2.2.2 list

2.2.3 deque

2.3 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

三  stack的介绍和使用

3.1 stack的介绍

3.2 stack的使用

3.3 stack的模拟实现

3.4 STL标准库中stack的底层结构

四  queue的介绍和使用

4.1 queue的介绍

4.2 queue的使用

4.3 queue的模拟实现

4.4 STL标准库中stack和queue的底层结构

五  priority_queue的介绍和使用

5.1priority_queue的介绍

5.2 priority_queue的使用

 5.3 priority_queue的模拟实现

一  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。

二  deque的简单介绍

2.1 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。

deque是vector和list的缝合怪

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，其底层结构如下图所示：

如要获取deque中第 i 个值，每个buff小数组大小为N，ptr为中控数组开始的指针，则为ptr[x][y]

x = i / N  , y = i % N    *(*(ptr + x) + y)

2.2 deque vector list 的优缺点

2.2.1 vector

优点：

  • 尾插尾删效率不错，支持高效下标随机访问。
  • 物理空间连续，高速缓存利用率高。

缺点：

  • 空间需要扩容，扩容有一些代价（效率和空间浪费）。
  • 头部和中间插入删除效率低。
2.2.2 list

优点：

  • 按需申请释放空间，无需扩容。
  • 任意位置插入删除。

缺点：

  • 不支持下标随机访问。
2.2.3 deque
  • deque头插尾插效率很高，更甚于vector 和 list。
  • 下标随机访问效率也不错，但比不上vector。
  • 中间插入删除效率很低，要挪动数据，是O(N)。

2.3 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

（ 看完三四大点再看这条~ ）

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。

三  stack的介绍和使用

3.1 stack的介绍

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。

出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据也在栈顶。

3.2 stack的使用

函数接口说明
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

3.3 stack的模拟实现

从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。

而我们无法确定是数组栈还是链式栈，故可以用Container适配转换出stack。

template<class T,class Container>
class stack 
{
public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_back();}const T& front() const{return _con.front();}const T& back() const{return _con.back();}const T& top() const{return _con.back();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}
private:Container _con;
};
#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<algorithm>
using namespace std;#include"Stack.h"//头文件包在库函数后面int main()
{stack<int, vector<int>> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(4);st.push(5);cout << st.top() << endl;st.pop();return 0;
}

注意：头文件尽量包在库函数后面，不然在展开后往上找时，可能会找不到要用的库函数。

3.4 STL标准库中stack的底层结构

#include<deque>
namespace zmcl
{template<class T, class Con = deque<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;};
}

四  queue的介绍和使用

4.1 queue的介绍

  • 1. 队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO(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。

4.2 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

4.3 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。

template<class T, class Container = list<int>>
class queue
{
public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_front();}const T& front() const{return _con.front();}const T& back() const{return _con.back();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}
private:Container _con;
};

4.4 STL标准库中stack和queue的底层结构

#include<deque>
#include <list>
namespace zmcl
{template<class T, class Con = deque<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;};
}

五  priority_queue的介绍和使用

5.1priority_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
push_back()在队列尾部入队列
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。

5.2 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。注意：默认情况下priority_queue是大堆。

#include <functional> // greater算法的头文件
int main()
{priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq; //传 greater变小堆pq.push(6);pq.push(4);pq.push(9);pq.push(1);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl; // 1 4 6 9return 0;
}

 5.3 priority_queue的模拟实现

#include<vector>// 仿函数 -- 一个含operate()的模板类，可以像函数一样调用
template<class T>
class Less
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}
};template<class T>
class Greater
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}
};namespace zmcl
{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 (_con[parent] < _con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void AdjustDown(int parent){// 先假设左孩子小size_t child = parent * 2 + 1;Compare com;while (child < _con.size())  // child >= n说明孩子不存在，调整到叶子了{// 找出小的那个孩子//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){++child;}//if (_con[parent] < _con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void push(const T& x){_con.push_back(x);AdjustUp(_con.size() - 1);}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;};
}

~完~


http://www.ppmy.cn/server/100717.html

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