C++ stl容器stack,queue,priority_queue的底层模拟实现

目录

前言:

文档借鉴:Reference - C++ Reference

1.deque

a.deque的结构特点:

b.deque的迭代器结构:

c.面试题:

2.stack

3.queue

4.仿函数

5.priority_queue

总结:


前言:

本篇一共简单实现3个容器,其中stack和queue的底层适配器是deque,所以会先介绍一下deque,而对于优先级队列priority_queue就是使用堆实现的,库中底层适配器是vector,另外对于优先级队列中堆的调整还会使用仿函数进行比较,所以本篇还会简单介绍一下仿函数。

文档借鉴:Reference - C++ Reference

1.deque

a.deque的结构特点:

deque简单来说就是vector和list的合体,再来复习一下vector和list的优缺点:
 

 我们再开看看deque的结构:

deque是存储在一个指针数组里面的,从中间开始存小的buff数组(指针数组里面存放的是指针,每个指针指向小的数组),这样头插尾插相比vector就方便了,当中控满了才扩容,扩容代价低是因为是指针数组,扩容只需要扩指针指向的空间就行。

所以deque的优缺点就是:
 

优点:
1.相比vector,扩容的代价低。

2.头插头删,尾插尾删效率高。

3.也支持随机访问。

缺点:

1.中间插入数据很难搞,如果想要中间插入数据效率高,可以控制每个buff小数组的大小不一样,从而挪动数据的消耗少,但小数组大小不一样随机访问就麻烦了;反过来,如果小数组固定数据,随机访问的效率就高了,但是中间插入数据就慢了,sgi版本采用数据固定,二者都可以,很灵活。

2.没有vector和list优点极致。

应用:

一般引用于栈和队列的底层容器,对于数据多的情况也差不多,高速缓存效率也可以,避免内存碎片化。

顺便一提,对于100万个数据进行排序,都不如vector排序后再拷贝回来速度快:

b.deque的迭代器结构:

c.面试题:

 

遍历时频繁检测是否移动到某段小空间的边界了,意思就是需要遍历每个buff小数组,导致效率低下。 

注意stack和queue没有迭代器,所以不能使用迭代器遍历。

2.stack

#pragma once

namespace my_stack
{
	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;
	};


	void testStack1()
	{
		stack<int, vector<int>> s1;
		s1.push(1);
		s1.push(2);
		s1.push(3);
		s1.push(4);

		while (!s1.empty())
		{
			cout << s1.top() << " ";
			s1.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

3.queue

#pragma once

namespace my_queue
{
	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;
	};

	void testQueue1()
	{
		queue<int> q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);

		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

需要注意的就是queue不能用vector当适配器,vector没有头插头删(因为效率低下),如果非要使用就要用vector的insert与erase,但是需要挪到数据,效率低下。

 

4.仿函数

由于仿函数大多是对()进行的运算符重载,所以实际使用看着像函数名,就叫仿函数了,

可以替换函数指针。

5.priority_queue

 

可以看到文档中就是使用heap也就是堆来模拟的。 

#pragma once

namespace my_priority_queue
{
	template<class T>
	struct Less
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T>
	struct Greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

	template<class T,class Container=vector<T>,class Compare=Less<T>>//默认小堆
	class priority_queue
	{
	public:
		void Adjust_up(size_t child)
		{
			size_t parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				if (Compare()(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) * 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}

			void Adjust_down(size_t parent)
			{
				size_t child = parent * 2 + 1;//假设左孩子小
				while (child < _con.size())
				{
					if (child + 1 < _con.size() && Compare()(_con[child], _con[child+1]))//这里注意不同的仿函数,参数中左右孩子的顺序需要交换
					{
						++child;
					}

					if (Compare()(_con[parent], _con[child]))
					{
						swap(_con[parent], _con[child]);
						parent = child;
						child = parent * 2 + 1;
					}
					else
					{
						break;
					}
				}
			}
		
			void push(const T& x)
			{
				_con.push_back(x);
				Adjust_up(_con.size() - 1);
			}

			void pop()
			{
				swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
				_con.pop_back();
				Adjust_down(0);
			}

			size_t size()
			{
				return _con.size();
			}

			bool empty()
			{
				return _con.empty();
			}

			const T& top()
			{
				return _con[0];
			}

	private:
		Container _con;
	};

	void test_priority_queue()
	{

		priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;
		//priority_queue<int> pq;
		//priority_queue<int,deque<int>> pq;//容器适配器
		pq.push(1);
		pq.push(0);
		pq.push(5);
		pq.push(2);
		pq.push(1);
		pq.push(7);

		while (!pq.empty())
		{
			cout << pq.top() << " ";
			pq.pop();
		}
		cout << endl;

	}
}

根据在堆的向上向下调整中,往仿函数中传的参数先后是parent与child,所以Less就是建小堆 (因为父亲小就交换到下面了,最后是升序),Greater就是建大堆。但是要注意左右孩子的比较,对于不同的仿函数需要传不同的左右孩子的顺序,反正记住左孩子小就++左孩子,找最小的孩子。

使用了匿名对象来进行仿函数的调用。

对于优先级队列的删除数据:

是删除top也就是队列头数据,所以是先交换堆的首尾,再删除尾,再向上调整即可。(交换再删除防止直接删使堆变乱)。

总结:
本篇重点主要是容器适配器的选择以及特点,还有仿函数以及优先级队列的实现,对堆进行了应用。

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