c++STL系列——（十）Adapter

栈适配器

基本特性

基本操作

实际应用

队列适配器

基本特性

基本操作

实际应用

优先队列适配器

基本特性

基本操作

实际应用

总结

引言

当提到C++ STL（标准模板库）中的适配器（Adapter），我们通常指的是stack、queue和priority_queue这三种容器适配器。它们提供了对底层容器（如vector、deque或list）的封装，使得可以使用不同的接口来操作数据结构。本文将深入探讨C++ STL中的这三种适配器，包括其基本特性、用法以及实际应用。

stack：栈适配器

基本特性

栈是计算机科学中一种基本但极其强大的数据结构，其操作原则是后进先出（LIFO，Last In First Out）。这意味着最后被添加到栈中的元素将是第一个被移除的。在C++标准库中，std::stack是作为容器适配器实现的，它提供了对一个底层容器（如std::vector、std::deque或std::list）的封装，使其表现得像一个栈。这种封装不仅隐藏了底层容器的复杂性，还确保了数据的LIFO操作特性得以保持。

基本操作

入栈与出栈

std::stack<int> myStack;
myStack.push(1);  // 入栈
myStack.pop();    // 出栈

实际应用

括号匹配

在编程语言和表达式的解析中，括号匹配是一个基本而重要的问题。它涉及到检查代码或表达式中的括号是否正确配对和嵌套。这不仅是编译器设计中的一个关键步骤，也是确保代码逻辑正确性的基础。不正确的括号匹配可能导致编译错误或逻辑错误，影响程序的运行。

栈的后进先出（LIFO）特性使其成为处理括号匹配问题的理想选择。当遇到开放括号（如(, [, {）时，将其推入栈中。随后，每当遇到闭合括号（如), ], }）时，检查栈顶的括号是否与之匹配。如果匹配，从栈中弹出栈顶的括号，表示这一对括号已正确闭合。如果不匹配或栈为空，则表示括号匹配失败。最终，如果所有括号都能正确匹配，栈应为空。

代码

bool isParenthesesValid(const std::string& s) {std::stack<char> myStack;for (char c : s) {if (c == '(') {myStack.push(c);} else if (c == ')') {if (myStack.empty() || myStack.top() != '(') {return false;} else {myStack.pop();}}}return myStack.empty();
}

queue：队列适配器

基本特性

队列是一种基础而重要的数据结构，在多种编程场景中都有广泛应用，其核心原则是先进先出（FIFO, First In First Out）。这意味着最先被添加到队列中的元素将是第一个被移除的。在C++标准库中，std::queue是作为容器适配器实现的，它封装了一个底层容器（通常是std::deque或std::list），并提供了一套标准的队列操作接口。通过隐藏底层容器的具体实现，std::queue使得元素的入队和出队操作变得简单直观。

基本操作

入队与出队

std::queue<int> myQueue;
myQueue.push(1);  // 入队
myQueue.pop();    // 出队

实际应用

广度优先搜索（BFS）

广度优先搜索（BFS）是图论和树遍历领域中的一种基本算法，它从一个给定的起点开始，逐层遍历图或树的所有节点，确保每个节点都能被访问且仅被访问一次。BFS的关键在于它按照节点被发现的顺序进行搜索，这就是为什么队列这种先进先出（FIFO）的数据结构在BFS实现中扮演着核心角色。

使用队列进行BFS时，算法从将起始节点加入到队列开始。随后，进行以下操作直到队列为空：

节点出队：从队列的前端移除一个节点，并对其进行处理（比如检查是否为目标节点）。
邻接节点入队：将当前节点的所有未访问过的邻接节点加入队列的末尾。这一步确保了节点会按照它们被发现的顺序进行访问。
标记已访问：为了避免节点被重复访问，每当一个节点出队并处理后，需要将其标记为已访问。

实际应用示例

void bfs(std::vector<std::vector<int>>& graph, int start) {std::queue<int> q;std::vector<bool> visited(graph.size(), false);q.push(start);visited[start] = true;while (!q.empty()) {int node = q.front();q.pop();// 处理当前节点nodefor (int neighbor : graph[node]) {if (!visited[neighbor]) {q.push(neighbor);visited[neighbor] = true;}}}
}

priority_queue：优先队列适配器

基本特性

优先队列适配器是一种数据结构，它提供了对底层容器的封装，以实现优先级队列的功能。在优先队列中，元素被插入时会根据预定义的优先级规则进行自动排序，使得具有最高优先级的元素始终位于队列的前端。这种自动排序的机制使得优先队列成为处理具有优先级的任务或数据的理想选择。

优先队列的基本特性包括：

封装底层容器： 优先队列适配器封装了一个底层容器，通常是一个动态数组或者二叉堆。这个底层容器存储了实际的元素数据，并提供了对这些数据的访问和管理接口。
自动排序： 在插入元素时，优先队列会根据事先定义好的优先级规则自动进行排序。通常情况下，元素的优先级是通过一个比较函数或者比较运算符来确定的。
高效的插入和删除操作： 由于优先队列使用了底层容器来存储元素，并且经过了排序，因此在插入和删除操作时可以达到较高的效率。对于二叉堆作为底层容器的优先队列来说，插入和删除操作的时间复杂度分别为 O(log n)。
支持动态调整优先级： 在某些实现中，优先队列还支持动态地调整元素的优先级。这意味着在元素已经插入到队列中后，仍然可以通过修改元素的优先级来重新调整其在队列中的位置。

基本操作

插入元素与取出顶部元素

std::priority_queue<int> myPriorityQueue;
myPriorityQueue.push(3);  // 插入元素
int topElement = myPriorityQueue.top();  // 取出顶部元素
myPriorityQueue.pop();  // 移除顶部元素

实际应用

任务调度

在操作系统的任务调度中，优先队列广泛用于根据任务的优先级来安排执行顺序：

struct Task {int priority;// other information
};
struct Compare {bool operator()(const Task& t1, const Task& t2) {return t1.priority < t2.priority;  // 定义优先级比较}
};
std::priority_queue<Task, std::vector<Task>, Compare> taskQueue;