容器适配器

容器适配器是C++标准库中的一种数据结构，其主要功能是将不同类型的容器（如vector、list、deque等）转换为另一种类型的容器。这种转换是通过改变容器的接口、增加或减少容器的功能来实现的。容器适配器提供了一种简单的方式来重新组织和访问数据，同时隐藏了底层容器的实现细节。

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。

适配器模式通常涉及三个角色：目标接口、适配者、适配器。
适配器将适配者的接口转化为目标接口。

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（将deque容器的接口转化为自己的接口），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。

deque

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类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：

它有2个迭代器，每个迭代器4个指针，由中控指针数组控制其插入删除，deque由多个小数组(buff)和中控指针数组组成。假设每个buff数组有N个数据，要找第i个数据时，先找到在**第几个buff数组里：i/N。再确定该元素在buff数组中的位置：i%N。**从而确定元素的位置。 若是第一个buff未满（头插元素个数小于buff数组个数）时：先执行i-=first_buff数据个数，再继续判断。

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。
3.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。

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，而deque的头插尾插效率很好，和栈、队列的操作很匹配。
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。

stack

stack介绍

1. stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行 元素的插入与提取操作。
2. stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。
3. stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下操作： empty：判空操作 back：获取尾部元素操作 push_back：尾部插入元素操作 pop_back：尾部删除元素操作
4. 标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque。

stack的使用

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

stack模拟实现

我们利用deque来模拟实现stack。

#include<iostream>
using namespace std;
#include<deque>
namespace bit{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;};

测试一下结果

void t1()
{bit::stack<int>st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(5);st.push(6);st.push(9);while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}cout << endl;
}int main()
{t1();//t2();
}

queue

queue的介绍

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

queue的模拟实现

利用deque来实现queue

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(){_c.back();}const T& back()const{_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;};

测试结果

void t2()
{bit::queue<int>st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(5);st.push(6);st.push(9);while (!st.empty()){cout << st.front() << " ";st.pop();}cout << endl;
}int main()
{//t1();t2();
}

priority_queue（优先队列）

priority_queue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。

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。默认大的优先级高，优先级高的先出队。只是取出来有序，每次取堆顶的数据。

函数声明	接口说明
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

priority_queue模拟现实

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;
#include<vector>
#include<algorithm>namespace bit{#include<vector>#include<functional>template<class T>class less{public:bool operator()(const T& a, const T& b){return a < b;}};template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T> >class priority_queue{public:priority_queue(){}template <class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last){for (; first != last; ++first){c.push_back(*first);}}bool empty() const{return c.empty();}size_t size() const{return c.size();}const T& top(){return c[0];}void push(const T& x){c.push_back(x);adjust_up(c.size() - 1);}void adjust_up(size_t child){int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (comp(c[parent],c[child])){swap(c[child], c[parent]);child = parent;parent= (child - 1) / 2;}else{break;}}}void pop(){swap(c[0], c[c.size() - 1]);c.pop_back();adjust_down(0);}void adjust_down(size_t parent){int child = 2 * parent + 1;while (child < c.size()){if (child + 1 < c.size()&&comp(c[child],c[child + 1])){child++;}if ( comp( c[parent], c[child])){swap(c[child], c[parent]);parent = child;child = 2 * parent + 1;}else {break;}}}private:Container c;Compare comp;};};

测试

#include<iostream>
using namespace std;
#include<vector>
#include<functional>
#include"test.h"void t1()
{bit::priority_queue<int, vector<int>, bit::less<int>> pq;pq.push(1);pq.push(5);pq.push(6);pq.push(9);pq.push(7);pq.push(3);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;
}int main()
{t1();return 0;
}

仿函数

可以发现，我们在实现priority_queue的过程用用到了class Compare = less 而less是重载的operator()，称为仿函数。
仿函数：一个类重载了operator()就可以叫仿函数

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

仿函数可以控制比较逻辑，priority_queue默认是大堆，我们可以写一个greater的仿函数，在传参时把less 换成greater，就可以将队列的优先级改为小的。

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

可以看到现在出队的顺序变成了最小的先出队。

再举个例子：
仿函数能控制比较逻辑，我们可以根据具体的某一项去比较。

struct Goods
{string _name; // 名字double _price; // 价格int _evaluate; // 评价Goods(const char* str, double price, int evaluate):_name(str), _price(price), _evaluate(evaluate){}
};struct ComparePriceLess
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price < gr._price;}
};
struct ComparePriceGreater
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price > gr._price;}
};struct CompareEvaluateLess
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._evaluate < gr._evaluate;}
};
struct CompareEvaluateGreater
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._evaluate > gr._evaluate;}
};int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());sort(v.begin(), v.end(), CompareEvaluateLess());sort(v.begin(), v.end(), CompareEvaluateGreater());
}

这份代码中我们将商品按照价格和评价进行了升序和降序的排序。

反向迭代器

本来每个迭代器都要写一个反向迭代器的类，但一个个写太麻烦，所以我们可以写一个反向迭代器的类模板，传不同正向迭代器的实例化，让编译器帮我们实现各种容器的对应的反向迭代器。

正向迭代器和反向迭代器的不同点

功能类似
++，–操作的方向不一样

stl库里面反向迭代器和迭代器的起始位置和结束位置是对称的。
rbegin所指的值是随机值，所以在实现解引用的时候是这样操作的：

反向迭代器解引用得到的是正向迭代器的前一个位置。

由上图我们可以看到，反向迭代器是对正向迭代器的封装（将正向迭代器的接口转化为自己的接口），是迭代器适配器，当传入某种容器的正向迭代器时，就生成对应的反向迭代器。

反向迭代器的模拟现实

#pragma once
#include<iostream>
using namespace std;namespace bit
{template<class Iterator, class Ref, class Ptr>struct __reverse_iterator{Iterator _cur;typedef __reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> RIterator;__reverse_iterator(Iterator it):_cur(it){}//反向迭代器的++就是--，这里我们需要重载一下RIterator operator++(){--_cur;return *this;}//反向迭代器--就是++，这里我们需要重载一下RIterator operator--(){++_cur;return *this;}Ref operator*(){auto tmp = _cur;--tmp;return *tmp;}Ptr operator->(){return &(operator*());}bool operator!=(const RIterator& it){return _cur != it._cur;}};}

在自己实现的list类中封装反向迭代器对象：

//封装正向迭代器typedef __list_iterator<T, T&, T*> iterator;typedef __list_iterator<T, const T&, const T*> const_iterator;//封装反向迭代器typedef __reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;typedef __reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}

自己实现的vector中封装反向迭代器对象：

        typedef T* iterator;typedef const T* const_iterator;typedef __reverse_iterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;typedef __reverse_iterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;reverse_iterator rbegin(){return reverse_iterator(end());}reverse_iterator rend(){return reverse_iterator(begin());}