【C++】C++中的stack和queue

一、概述

        本篇blog写明了介绍的是STL(标准模板库)中的stack和queue,栈和队列虽然在处理数据的方式上有明显的不同,但它们作为操作受限的线性数据结构,在学习和应用中经常被放在一起讨论,以便更全面地理解数据结构的概念和使用。

        在开始之前,先给大家做个知识补充,因为下面说的stack和queue实际上都是容器适配器。所以先介绍一下容器适配器。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。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。至于deque我们可以在最后面提一提。

二、stack

stack的介绍

         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。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。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
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(稍后我们介绍)
栈的样子:

stack的接口

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
pop()
stack 中尾部的元素弹出

其实这些接口的使用都是十分清晰且基础的,没有二异性,不用专门写程序对其进行解释,不过我们可以通过题目来加固对这些接口的使用。

Leecode——最小栈

class MinStack {
public:
    MinStack() {

    }

    void push(int val) {
        _elem.push(val);
    // 如果x小于_min中栈顶的元素,将x再压入_min中
        if (_min.empty() || val <= _min.top())
            _min.push(val);
    }

    void pop() {
        // 如果_min栈顶的元素等于出栈的元素,_min顶的元素要移除
        if (_min.top() == _elem.top())
            _min.pop(); // 保证 _min 的数据是有效的

        _elem.pop();
    }

    int top() {
        return _elem.top();
    }

    int getMin() {
        return _min.top();
    }

private:
    // 创建这两个对象,马上就使用里面的接口来实现这个题目
    stack<int> _elem;
    stack<int> _min;
};

牛客——栈的压入、弹出序列

class Solution {
public:
    bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {
        if (pushV.size() != popV.size())
            return false;
    

    // 用s来模拟入栈与出栈的过程
    int outIdx = 0;
    int inIdx = 0;
    stack<int> s;

    while (outIdx < popV.size())
    {
        // 如果s是空,或者栈顶元素与出栈的元素不相等,就入栈
        while (s.empty() || s.top() != popV[outIdx])
        {
            if (inIdx < pushV.size())
                s.push(pushV[inIdx++]);
            else
                return false;
        }

        // 栈顶元素与出栈的元素相等,出栈
        s.pop();
        outIdx++;
    }
    return true;
    }
};

逆波兰表达式求值

class Solution {
public:
    int evalRPN(vector<string>& tokens) {
        stack<int> s; // 使用栈s来存储中间计算结果
        for (size_t i = 0; i < tokens.size(); ++i) // 遍历tokens中的每个元素
        {
            string& str = tokens[i];
            // 判断str是否是操作符
            if (!("+" == str || "-" == str || "*" == str || "/" == str)) {
                // 如果str是数字,将其转换为int并入栈
                s.push(atoi(str.c_str()));
            }
            else {
                // 如果str是操作符,从栈中弹出两个元素作为操作数
                int right = s.top(); // 第二个操作数
                s.pop();
                int left = s.top(); // 第一个操作数
                s.pop();
                // 根据操作符计算结果,并将结果入栈
                switch (str[0]) {
                case '+':
                    s.push(left + right); // 加法运算
                    break;
                case '-':
                    s.push(left - right); // 减法运算
                    break;
                case '*':
                    s.push(left * right); // 乘法运算
                    break;
                case '/':
                    s.push(left / right); // 除法运算,已假设除数不为0
                    break;
                }
            }
        }
        // 返回栈顶元素,即整个表达式的计算结果
        return s.top();
    }
};

这样我们就使用了接口实现了一些比较复杂的算法。怎么样,是不是很有成就感。

三、queue

queue的介绍

         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。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。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
        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。

stack的接口

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

这些接口和stack的十分类似。相信大家稍微变通一下就可以知道了。在这里我就不进行举例了。

四、priority_queue的介绍和使用

        优先队列也是一种容器适配器,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。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)。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。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
        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。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的接口

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priority_queue。注意:默认情况下priority_queue是大堆(大顶堆)。

函数接口接口说明
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

接口不用一个一个试了,写两个程序带大家理解一下这个priority_queue。

程序例子

        默认情况下,priority_queue是大堆

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
using namespace std;

void TestPriorityQueue()
{
	// 默认情况下,创建的是大堆,其底层按照小于号比较
	vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };
	priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v)
		q1.push(e);
	cout << q1.top() << endl;
	// 输出 9
	// 如果要创建小堆,将第三个模板参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;
	// 输出 0
}

int main()
{
	TestPriorityQueue();
	return 0;
}
如果在 priority_queue 中放自定义类型的数据,用户需要在自定义类型中提供 > 或者 < 的重载
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
using namespace std;

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	// 重载 < 符号
	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);
	}
	// 重载 > 符号
	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 使其的封装性失效了 ,这行代码的意思是:
	// “我信任ostream& operator<<函数,允许它访问我的所有内容,包括私有成员。
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{
	// 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));
	cout << q1.top() << endl;
	// 2018-10-30
	// 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;
	//2018-10-28
}

int main()
{
	TestPriorityQueue();
	return 0;
}

讲到这里实际上,我们已经把该节任务,stack和queue讲完了,毕竟他们都只是容器适配器,最终实现还是放在C++的容器里面的。比如list和vector,但是其实这两个一般默认的是用deque来实现的。所以想和大家再介绍一下deque

五、底层的deque(仅了解)

deque的介绍

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,我们作为初学者仅需了解即可,等之后我们再做实现。

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

deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

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。

六、总结

        这篇文章深入探讨了C++标准模板库(STL)中的栈(stack)和队列(queue),以及容器适配器的概念。通过解释栈和队列的工作原理、接口、以及使用场景,文章展示了这两种数据结构在处理特定数据序列时的效率和便利性。同时,通过引入deque(双端队列)作为stack和queue的默认底层容器,文章阐述了其在特定场景下相比其他容器(如vector和list)的优势,同时指出了deque的主要缺陷和在特定应用场景中的优化选择。希望大家能有所收获!

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