【落羽的落羽 C++】stack和queue、deque、priority

文章目录

一、stack和queue
- 1. 概述
- 2. 使用
- 3. 模拟实现
二、deque
三、priority_queue
- 1. 概述和使用
- 2. 模拟实现
四、仿函数

一、stack和queue

1. 概述

我们之前学习的vector和list，以及下面要认识的deque，都属于STL的容器（containers）组件。而stack和queue，属于STL的配置器（或称为配接器）（adapters）组件，或者归类为容器配置器（container adapters），它们可以修饰容器的接口而呈现出全新的容器性质，即stack的“先进后出”和queue的“先进先出”特点。

2. 使用

stack的所有元素的进出都必须符合“先进后出”的条件，queue的所有元素的进出都必须符合“先进先出”的条件。换句话说，只有stack的栈顶元素和queue的队头元素才有机会被移除，因此stack和queue不提供遍历的功能，也不提供迭代器。

除此之外，stack和queue的功能和使用也都很好理解了，之前我们已经学过栈和队列。

stack：

函数声明	接口说明
stack()	构造空的栈
empty()	检测栈是否为空
size()	返回栈中元素个数
top()	返回栈顶元素的引用
push()	在栈顶入栈
pop()	将栈顶元素出栈

使用演示：
在这里插入图片描述

queue：

函数声明	接口说明
queue()	构造空的队列
empty()	检测队列是否为空
size()	返回队列中元素个数
front()	返回队头元素的引用
back()	返回队尾元素的引用
push()	在队尾入队列
pop()	将队头元素出队列

使用演示：
在这里插入图片描述

3. 模拟实现

STL库中的stack和queue的模板实际上有两个模板类型：
在这里插入图片描述

第一个就是要存储的数据类型了。第二个代表它们所修饰的容器类型，前面说过，它们不是独立的容器，而是容器配置器，要依靠别的容器才能实现它们，这就是第二个模板参数的意义。我们可以用vector或list来实现出stack和queue，如stack<int, vector<int>>或queue<char, list<char>>，我们在上层使用stack和queue时是感受不到vector或list的区别的。不论是哪种容器，都有push、pop、front、back、empty等相关操作，得以再封装成stack和queue的功能。
模板参数也是可以有缺省值的，我们能看到STL标准库中的stack和queue的Container模板类型默认给了deque，deque也是一种容器，我们一会再介绍它。

除了这一点，stack和queue的模拟实现就很简单了，遵循它们的特性就好：

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

二、deque

关于deque，简单了解就好。
对比一下vector和list的优缺点：

容器	优点	缺点
vector	支持下标随机访问、CPU高速缓存命中率高	头部或中部插入删除数据效率低、扩容有一定成本，存在一定浪费
list	任意位置插入删除数据效率高、不用扩容，按需申请空间，不存在浪费	不支持下标随机访问、CPU高速缓存命中率低

可见，vector和queue都有各自的优缺点，deque包含了两种容器的优点，是一种双向开口的线性连续空间

在这里插入图片描述
deque有一个中控器，存放着指向不同节点的指针，每一个节点是一个缓冲区buffer，是一个数组用于存放数据。执行尾插时，就在当前buffer的尾部插入数据，若当前buffer已满，就去中控器的下一个节点指向的buffer的第一个位置存放；执行头插时，要倒着看，当前buffer头部没有空间，就去中控器的上一个节点指向的buffer的最后一个位置存放，再头插一次就存放到倒数第二个位置，以此类推。头删和尾删也是一样的道理。

在这里插入图片描述
deque并不是真正完全连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似一个动态的二维数组，deque的迭代器的结构就更为复杂了。

所以，deque与vector相比，头部插入效率更高，不需要挪动元素；与list相比，空间利用率更高。但是，deque不适合遍历，因为在遍历时迭代器需要频繁检测每一个buffer是否到达边界，导致效率低下。而在序列式场景中，可能经常需要遍历，所以实际需要线性数据结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，目前能看到的一个应用就是STL用它作为stack和queue的底层数据结构。
而STL选择deque作为stack和queue的底层，主要原因也是stack和queue不需要遍历，只在固定的一端或两端进行操作，以及deque结合vector和list的优点了。

三、priority_queue

1. 概述和使用

priority_queue，意为优先级队列，是queue的一种，带有权值观念，其内的元素并非按照入队列的顺序排列，而是按照元素的权值排列，默认权值较高的元素排在前面。
举个栗子：
在这里插入图片描述
有没有发现，优先级队列其实就是我们之前学过的堆。

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，所有需要用到堆的场景，都可以考虑使用优先级队列。默认情况下，优先级队列是大堆。

函数声明	接口说明
priority_queue()	构造空的优先级队列
empty()	检测优先级队列是否为空
size()	返回优先级队列中元素个数
top()	返回优先级队列中的最大（最小）元素，即堆顶元素
push()	在优先级队列中插入元素
pop()	删除优先级队列中的最大（最小）元素，即堆顶元素

2. 模拟实现

既然优先级队列就是堆，那么实现优先级队列也就和实现堆道理类似了：
传送门：https://blog.csdn.net/2402_86681376/article/details/145808942?spm=1011.2415.3001.5331（堆的讲解
要用到的向上调整算法、向下调整算法，我们都学习过了。

namespace lydly
{template<class T, class Container = vector<T>>class priority_queue{private:Container _con;public:priority_queue(){}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() const{return _con[0];}bool empty() const{return _con.empty();}size_t size() const{return _con.size();}private:void adjustup(int child){int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void adjustdown(size_t parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1]){++child;}if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}};
}

问题来了，我们想让优先级队列降序排列元素，再重载一次·未必太麻烦了，怎么办呢？这里就需要用到仿函数。

四、仿函数

在STL标准库中，我们看到优先级队列的模板参数中还有一个Compare，这个就是仿函数。
在这里插入图片描述
仿函数是一种类对象，顾名思义，它可以“模仿函数”，允许用户“以模板参数来指定所要采取的策略”。在priority_queue中，它的第三个模板类型参数就是仿函数，默认给了一个less，less其实是这样的：

template<class T>
class less
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}
};

less是一个类，less<typename Container::value_type>就是一个匿名对象，它的里面重载了()，这样一来，倘若有less<T> Com;那我们就可以写出Com(a, b)，（a，b是T类型的）这个表达式的意思就是a < b！
举一反三，STL中还有greater的仿函数：

template<class T>
class greater
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}
};

倘若有greater<T> Com;那我们就可以写出Com(a, b)，这个表达式的意思就是a > b！

大堆和小堆的区别在于AdjustUp和AdjustDown中几处<或>的不同，有了上面的两种仿函数，我们就能在创建优先级队列时根据需要，模板参数传less或greater，区分大堆和小堆。具体是<还是>，就可以依靠传的是less还是greater来分别。STL的仿函数中的less和greater，就可以传给priority_queue的模板：
在这里插入图片描述

我们的模拟实现也按照这个思路来完成：

namespace lydly
{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;}};template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{private:Container _con;public:priority_queue(){}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() const{return _con[0];}bool empty() const{return _con.empty();}size_t size() const{return _con.size();}private:void adjustup(int child){//构造一个less或greater的对象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 adjustdown(size_t parent){//构造一个less或greater的对象Compare com;size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){++child;}if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}};
}

关于less，我们还可能会遇到其他情况：

当想要比较的是自定义类型时，就需要这个自定义类型中重载<和>运算符，这一点很好理解。
当传入指针时，一般我们应该是想要比较的是指向的内容，但如果只把less写成刚才那样，会被解析成直接比较两个地址的值。这时，需要写成这样：

template<class T>
class less<T*>
{
public:bool operator()(const T* const & x, const T* const & y){return *x < *y;}
};