目录
一、stack
🌟stack的简单介绍
🌟stack的基本使用
🌟stack的模拟实现
🌟stack模拟实现的完整代码
🌟容器适配器
二、queue
🌟queue的简单介绍
🌟queue的基本使用
🌟queue的模拟实现
🌟deque的简单介绍
<1> deque原理介绍
<2>deque的缺陷
<3>为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器?
三、priority_queue
🌟priority_queue的简单介绍
🌟priority_queue的使用
🌟priority_queue的模拟实现
✨push(const T& x)
✨pop()
✨top() / size() / empty()
✨区间迭代器priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
🌟仿函数
我们可以使用仿函数来模拟实现 priority_queue :
🌟仿函数的使用:
一、stack
🌟stack的简单介绍
1、堆栈是一种容器适配器,专门设计1用于LIFO环境(后进先出),其中元素仅从容器的一端插入和提取;
2、队长被实现为容器适配器,这些类使用特定容器类的封装对象作为其底层容器,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“背面”推/弹出,这被称为堆栈的顶部。
3、底层容器可以是任何标准容器类模板或一些其他专门设计的容器类。
🌟stack的基本使用
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satck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中国尾部的元素弹出 |
void test_stack0()
{stack<int> s1;s1.push(1);s1.push(2);s1.push(3);s1.push(4);cout << s1.size() << endl;while (!s1.empty()){cout << s1.top() << " ";s1.pop();}cout << endl;
}int main()
{test_stack0();return 0;
}
🌟stack的模拟实现
基本框架:
namespace xlf
{template<class T>class stack{public:stack(){}private:std::vector<T> _v;};
}
• namespace xlf 取一个命名空间,对标识符的名称进行本地化,以避免命名冲突或名字污染;
• template<class T> 模板,这里用的是类模板来进行模拟实现;
• stack() {} 无参构造;
• public、private 访问限定符;
• std::vector<T> _v; 成员变量,这里成员变量的类型 vector 和 list 都可以使用,因为stack是在栈顶 出/入 栈,所以可以使用vector、list的一些函数接口来实现。
成员函数的模拟实现:
stack(){}void push(const T& x){_v.push_back(x);}void pop(){_v.pop_back();}T& top(){return _v.back();}const T& top() const{return _v.back();}size_t size() const{return _v.size();}bool empty() const{return _v.empty();}
• push 可以使用 vector 的 push_back() 函数接口来实现,stack 的入栈即为 vector 的尾插;
其他成员函数的模拟实现同理。
🌟stack模拟实现的完整代码
namespace xlf
{template<class T>class stack{public:stack(){}void push(const T& x){_v.push_back(x);}void pop(){_v.pop_back();}T& top(){return _v.back();}const T& top() const{return _v.back();}size_t size() const{return _v.size();}bool empty() const{return _v.empty();}private:std::vector<T> _v;};
}
🌟容器适配器
<1> 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。
<2> 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:
此时stack 的模拟实现可以写为:
namespace xlf
{template<class T, class Container = deque<T>>class stack{public://构造stack(){}void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_back();}const T& top(){return _con.back();}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};}
适配器模式---转换
迭代器模式---封装统一访问方式
• template<class T, class Container = deque<T>> 使用适配器
• Container _con; 适配器成员变量
stack、queue 不提供迭代器,容器适配器是用这些容器转换出来的(适配器通常不提供迭代器),stack后进先出,如果提供迭代器,就达不到原本的性质了。
二、queue
🌟queue的简单介绍
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。
🌟queue的基本使用
void test_queue1()
{queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);q.push(5);while (!q.empty()){cout << q.front() << " ";q.pop();}cout << endl;
}int mian()
{test_queue1();return 0;
}
🌟queue的模拟实现
只能用 deque、list 适配,因为queue不支持头删,没有直接支持的,可以用erase,这时就可以支持使用vector,但是效率就很低。
成员函数的模拟实现和stack类似:
namespace xlf
{//只能用deque list适配//用vector会报错,队尾插入,队头删除,//queue不支持头删(先进先出)(没有直接支持,可以用erase)template<class T, class Container = deque<T>>class queue{public://构造queue(){}void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){//这样就可以支持vector了,但是效率就很低了//_con.erase(_con.begin());_con.pop_front();}const T& front(){return _con.front();}const T& back(){return _con.back();}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};}
🌟deque的简单介绍
<1> deque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类似于一个动态二位数组:
双端队列底层是一段假象的连续空间,实际是分段连续的,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 :
<2>deque的缺陷
(1)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。
(2)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>为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器?
(1) 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;
(2)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。
(3)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:
• 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,而完美的避开了其缺陷。
三、priority_queue
🌟priority_queue的简单介绍
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。(默认是大堆)
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。
🌟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就是大堆。
函数声明 | 接口说明 |
priority-queueu() priority_queue(first,last) | 构造一个空的优先队列 |
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,即堆栈元素 |
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 |
#include<iostream>
using namespace std;
#include<queue>int main()
{int a[] = { 1,5,6,8,4,9,7,3,2,0 };priority_queue<int> q1(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));while (!q1.empty()){cout << q1.top() << " ";q1.pop();}cout << endl;return 0;
}
🌟priority_queue的模拟实现
基本框架:
namespace xlf //命名空间
{template<class T, class Container = vector<T>> //类模板class priority_queue{public://成员函数private:Container _con;//成员变量};}
• namespace xlf 命名空间,防止命名冲突;
• template<class T, class Container = vector<T>> 模板,容器适配器;
✨push(const T& x)
//用 < 实现大堆
void adjust_up(int child)
{int parent = (child - 1) / 2; //计算父节点的位置while (child > 0) //循环结束条件:到堆顶结束{if (_con[parent] < _con[child]) //如果父节点小于孩节点就交换{swap(_con[parent], _con[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;//继续计算父节点的位置}else //父节点大于孩节点就结束循环{break;}}}//堆的插入
void push(const T& x)
{_con.push_back(x);//由这个函数进行扩容//向上调整adjust_up(_con.size() - 1);//排序的区间长度
}
priority_queue底层是一个堆,在堆后中插入数据,数据就乱了,因此要向上调整堆的数据。
✨pop()
void adjust_down(size_t parent)
{size_t child = parent * 2 + 1;//左孩子while (child < _con.size()){//假设法//选择左右孩子大的那个if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])//判断是否有右孩子 如果右孩子大就选择右孩子{++child;}if (_con[parent] < _con[child])//孩节点大就交换{swap(_con[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}
}//堆的删除
void pop()
{swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);//首尾交换_con.pop_back();//删除尾部数据adjust_down(0);//向下调整
}
堆的删除要交换首尾的一个数据,接着删除尾部的数据,最后堆顶的数据就要向下调整大小。
✨top() / size() / empty()
const T& top()
{return _con[0];
}size_t size()
{return _con.size();
}bool empty()
{return _con.empty();
}
直接返回相应的数据。
✨区间迭代器priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
template<class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){_con.push_back(*first);++first;}//直接建堆//向下调整for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){adjust_down(i);}}
我们也可以选择向上调整建堆,但是向下直接建堆的时间复杂度更好哦
🌟仿函数
• 仿函数/函数对象:重载了 operator() 的类,类的对象可以像函数一样使用。
• 仿函数:根据需求来实现,并没有规定返回值是什么,返回值也是根据需求来返回的,很灵活,只有 operator() 是固定的;
• 特点:参数个数和返回值根据需求确定,不固定,很灵活;
仿函数的使用:
//仿函数/函数对象:重载operator()的类,类的对象可以像函数一样使用
class Func
{
public:void operator()(int n){while (n--){cout << "Func调用" << endl;}cout << endl;}
};template<class T>
class myless
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y; }
};int main()
{Func f1;f1(10);f1.operator()(20);//仿函数:根据你的需求,只有operator()是固定的,并没有规定返回值是什么,返回值也是根据你的需求来返回的,更灵活;//特点:参数个数和返回值根据需求确定,不固定,很灵活。myless<int> lessFunc1;cout << lessFunc1(1, 2) << endl;//lessFunc1.operator()(1,2);myless<string> lessFunc2;cout << lessFunc2("1.1","2.2") << endl;return 0;
}
我们可以使用仿函数来模拟实现 priority_queue :
//仿函数的使用场景
namespace xlf
{template<class T>class myless{public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}};template<class T>class mygreat{public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}};//通过外部来改变排序的规则,而不是在内部改变 > < 的符号来控制 template<class T, class Container = vector<T>,class Comapre=myless<int>>class priority_queue{public://强制编译器生成默认构造priority_queue() = default;template<class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){_con.push_back(*first);++first;}//直接建堆//向下调整for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){adjust_down(i);}}//用 < 实现大堆void adjust_up(int child){Comapre comfunc;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if (_con[parent] < _con[child])if (comfunc(_con[parent] , _con[child]))//if (Comapre.operator()(_con[parent] , _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}//堆的插入void push(const T& x){_con.push_back(x);//由这个函数进行扩容//向上调整adjust_up(_con.size() - 1);//排序的区间长度}void adjust_down(size_t parent){Comapre comfunc;size_t child = parent * 2 + 1;//左孩子while (child < _con.size()){//假设法//选择左右孩子大的那个//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && comfunc(_con[child] , _con[child + 1])){++child;}//if (_con[parent] < _con[child])if (comfunc(_con[parent] , _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}//堆的删除void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);//首尾交换_con.pop_back();//删除尾部数据adjust_down(0);//向下调整}const T& top(){return _con[0];}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};}
此时使用了仿函数,就不用在堆的内部改变 大于/小于 的符号,可以直接在外部的函数直接修改。
🌟仿函数的使用:
class Date
{
public:Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1): _year(year), _month(month), _day(day){}bool operator<(const Date& d)const{return (_year < d._year) ||(_year == d._year && _month < d._month) ||(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);}bool operator>(const Date& d)const{return (_year > d._year) ||(_year == d._year && _month > d._month) ||(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);}friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}//自己写一个仿函数改变比较大小的方式struct PDateLess{bool operator()(Date* p1, Date* p2){return *p1 > *p2;}};void TestPriorityQueue()
{//优先级里面放自定义类型// 大堆,需要用户在自定义类型中提供<的重载//priority_queue<Date> q1;//q1.push(Date(2018, 10, 29));//q1.push(Date(2018, 10, 28));//q1.push(Date(2018, 10, 30));//while (!q1.empty())//{// cout << q1.top() << " ";// q1.pop();//}//cout << endl;// 大堆,需要用户在自定义类型中提供<的重载//存日期类的指针,此时结果很混乱//原因:Date*是按地址比较大小,// 并不是说先new的地址小,后new的地址大,地址带有随机性//我们要的并不是按地址比较大小,所以:自己写一个仿函数PDateLess//priority_queue<Date*> q1;//自己写的仿函数(显示传PDateLess)xlf::priority_queue<Date*, vector<Date*>, PDateLess> q1;q1.push(new Date(2018, 10, 29));q1.push(new Date(2018, 10, 28));q1.push(new Date(2018, 10, 30));while (!q1.empty()){cout << *q1.top() << " ";q1.pop();}cout << endl;如果要创建小堆,需要用户提供>的重载//priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;//q2.push(Date(2018, 10, 29));//q2.push(Date(2018, 10, 28));//q2.push(Date(2018, 10, 30));//cout << q2.top() << endl;
}int main()
{TestPriorityQueue();return 0;
}
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