本节目标

1.stack的介绍和使用及其模拟实现

2.queue的介绍和使用及其模拟实现

3.priority_queue的介绍和使用及其模拟实现

4.容器适配器

1.stack的介绍和使用及其模拟实现

1.1 stack的介绍

stack的文档介绍

根据stack的文档介绍可以知道，stack是一种容器适配器，专门设计用于在后进先出上下文（后进先出）中运行，其中元素仅从容器的一端插入和提取。

stack作为容器适配器实现，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其底层容器的类，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”推出/弹出，这被称为stack的顶部(即栈顶)。

stack的底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是一些其他专门设计的容器类。容器应支持以下操作：

• empty
• back
• push_back
• pop_back

标准容器类 vector、deque、    list ，均满足这些要求。默认情况下，如果未为特定类实例化指定容器类，则使用标准容器deque作为底层容器。

1.2 stack的使用

以上是stack的成员函数，用蓝色框框框起来的几个成员函数接口是需要重点掌握的

简单说明：

1.stack()是构造一个空的stack

2.empty()是用于判断stack是否为空

3.size()是用来返回stack中元素的个数

4.top()适用于返回栈顶元素的引用

5.push()将元素压入stack中

6.pop()将stack中尾部的元素弹出

下面对这几个接口进行使用，以下是简单的测试代码：

#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;void test_stack1()
{stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(4);while (!st.empty()){cout << st.top() <<" ";st.pop();}
}int main()
{test_stack1();return 0;
}

运行结果如下：

当然也不一定是入1，2，3，4出的序列就一定是4,3,2,1。也可以边入边出

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;void test_stack1()
{stack<int> st;st.push(1);st.push(2);cout << st.top() << " ";st.pop();st.push(3);st.push(4);while (!st.empty()){cout << st.top() <<" ";st.pop();}
}int main()
{test_stack1();return 0;
}

运行结果如下：

学会了如何使用之后我们可以对该oj题进行挑战

用两个栈实现队列

OJ题参考：

class MyQueue {
public:MyQueue() {}void push(int x) {st1.push(x);}int pop() {if(st2.empty()){while(!st1.empty()){st2.push(st1.top());st1.pop();}}int top = st2.top();st2.pop();return top;}int peek() {if(st2.empty()){while(!st1.empty()){st2.push(st1.top());st1.pop();}}return st2.top();}bool empty() {return st1.empty()&&st2.empty();}private:stack<int> st1;//用来实现从队尾入队列stack<int> st2;//用来实现从队头出队列
};

最小栈

参考实现：

思路是用两个栈来实现，一个用来放栈中的数据，一个用来存放该栈数据中的最小值，如果初始时st为空，那么push的就是目前栈中的最小值，然后把这个最小值在Minst这个栈中push进去，如果st中push的值小于Minst目前的最小值则要继续push,如果与最小值相等，为了pop之后不受影响，则也要在Minst中继续push该相等的最小值，这样就能实现一直能够获取栈中的最小值了。

class MinStack {
public:MinStack() {}void push(int val) {if(st.empty()||Minst.top()>=val){Minst.push(val);}st.push(val);}void pop() {if(st.top()==Minst.top()){Minst.pop();}st.pop();}int top() {return st.top();}int getMin() {return Minst.top();}stack<int> st;stack<int> Minst;
};

栈的压入弹出序列

解题思路：

代码参考实现：

class Solution {public:/*** 代码中的类名、方法名、参数名已经指定，请勿修改，直接返回方法规定的值即可*** @param pushV int整型vector* @param popV int整型vector* @return bool布尔型*/bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {// write code herestack<int> st;int pushi= 0,popi = 0;while(pushi<pushV.size()){st.push(pushV[pushi]);while(!st.empty()&&st.top()==popV[popi]){st.pop();popi++;}pushi++;}return st.empty();}
};

1.3stack的模拟实现

#include<deque>
namespace mystack
{template<class T, class Container=deque<T>>class stack{public: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;};
}

模拟实现功能测试代码：

void test_stack2()
{mystack::stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(4);while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}
}

运行结果截图：

2.queue的介绍和使用及其模拟实现

2.1 queue的介绍

queue的文档介绍

根据queue的文档介绍可以知道,

队列 是一种容器适配器，专门设计用于在 FIFO 上下文（先进先出）中运行，其中元素插入容器的一端并从另一端提取。

队列作为容器适配器实现，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其基础容器的类，提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素被推入特定容器的“背面”(即队尾)，并从其“正面”(即队头)弹出。
基础容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他一些专门设计的容器类。此基础容器应至少支持以下操作：

• empty
• size
• front
• back
• push_back
• pop_front

标准容器类，并满足这些要求。默认情况下，如果未为特定类实例化指定容器类，则使用标准容器。deque   list   queue     deque

2.2 queue的使用

以上是queue的成员函数接口，下面对这几个接口进行简单介绍:

1.queue()是构造一个空的queue

2.empty()是用于判断queue是否为空,是的话返回true,否则返回false.

3.size()是用来返回queue中元素的个数

4.top()适用于返回队头元素的引用

5.push()在队尾将元素入队列

6.pop()将队头元素出队列

下面我们对这些成员函数接口进行使用

#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;void test_queue1()
{queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);while (!q.empty()){cout << q.front() << " ";q.pop();}
}int main()
{test_queue1();return 0;
}

运行结果如下：

熟悉了这些使用之后我们可以挑战一些该oj题目:

用队列实现栈

2.3 queue的模拟实现

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

代码测试：

void test_queue2()
{myqueue::queue<int> q;q.push(4);q.push(3);q.push(1);q.push(0);q.push(2);q.push(5);while (!q.empty()){cout << q.front() << " ";q.pop();}cout << endl;
}

运行结果：

3. priority_queue的介绍和使用及其模拟实现

3.1 priority_queue的介绍

priority_queue的文档介绍

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。

3.2 priority_queue的使用

以上是priority_queue的成员函数接口，下面对常用的接口进行简单说明

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

void test_mypriority_queue()
{mypriority_queue::priority_queue<int> pq;pq.push(4);pq.push(3);pq.push(1);pq.push(0);pq.push(2);pq.push(5);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;
}

运行结果如下：

在OJ中的使用：

数组中第K个大的元素

3.3 priority_queue的模拟实现

#pragma once#include <iostream>
using namespace std;#include <vector>
// priority_queue--->堆
namespace mypriority_queue
{template<class T>struct less{bool operator()(const T& left, const T& right){return left < right;}};template<class T>struct greater{bool operator()(const T& left, const T& right){return left > right;}};template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{public:// 创造空的优先级队列priority_queue() : c() {}template<class Iterator>priority_queue(Iterator first, Iterator last): c(first, last){// 将c中的元素调整成堆的结构int count = c.size();int root = ((count - 2) >> 1);for (; root >= 0; root--)AdjustDown(root);}void push(const T& data){c.push_back(data);AdjustUP(c.size() - 1);}void pop(){if (empty())return;swap(c.front(), c.back());c.pop_back();AdjustDown(0);}size_t size()const{return c.size();}bool empty()const{return c.empty();}// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性const T& top()const{return c.front();}private:// 向上调整void AdjustUP(int child){int parent = ((child - 1) >> 1);while (child){if (Compare()(c[parent], c[child])){swap(c[child], c[parent]);child = parent;parent = ((child - 1) >> 1);}else{return;}}}// 向下调整void AdjustDown(int parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child < c.size()){// 找以parent为根的较大的孩子if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))child += 1;// 检测双亲是否满足情况if (Compare()(c[parent], c[child])){swap(c[child], c[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}elsereturn;}}private:Container c;};
}void TestQueuePriority()
{mypriority_queue::priority_queue<int> q1;q1.push(5);q1.push(1);q1.push(4);q1.push(2);q1.push(3);q1.push(6);cout << q1.top() << endl;q1.pop();q1.pop();cout << q1.top() << endl;vector<int> v{ 5,1,4,2,3,6 };mypriority_queue::priority_queue<int, vector<int>, mypriority_queue::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());cout << q2.top() << endl;q2.pop();q2.pop();cout << q2.top() << endl;
}

4.容器适配器

4.1什么是容器适配器？

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。

4.2 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：

4.3deque的简单介绍

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。

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。

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

4.4 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。