C++ -- ：stack，queue，priority_queue

1.stack

1.1stack的接口

1.2模拟实现

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

2.queue

2.1queue的接口使用

2.3 queue的模拟实现

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

3.priority_queue

3.1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。

3.2priority_queue的接口使用

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。

3.3priority_queue的模拟实现

这里使用仿函数进行优化

template<class T> class Less //这里是仿函数用法 { 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; } }; namespace STL { template <class T, class Container = vector<T>,class Compare=Less<T>> class priority_queue { public: priority_queue()=default; template <class InputIterator> priority_queue(InputIterator first, InputIterator last) :c(first,last) { for (int i = (c.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--) { adjust_down(i); } } bool empty() const { return c.empty(); } size_t size() const { return c.size(); } const T& top() const { return c[0]; } void adjust_up(int child) { Compare com; int parent = (child - 1) / 2; while (child > 0) { if (com(c[child] ,c[parent])) { swap(c[child], c[parent]); child = parent; parent = (child - 1) / 2; } else break; } } void push(const T& x) { c.push_back(x); adjust_up(c.size() - 1); } void adjust_down(int parent) { Compare com; int child = 2 * parent + 1; while (child < c.size()) { if (child+1<c.size()&&com(c[child + 1] ,c[child])) child++; if (com(c[child] , c[parent])) { swap(c[child], c[parent]); parent = child; child = 2 * parent + 1; } else break; } } void pop() { swap(c[0], c[c.size() - 1]); c.pop_back(); adjust_down(0); } private: Container c; }; };

4.容器适配器

4.1 什么是适配器

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：

4.3 deque的简单介绍

4.3.1 deque的原理介绍

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：

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，如下图所示

4.3.2 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。