文章目录
- stack的介绍和使用
- stack的介绍
- stack的使用
- stack的模拟实现
- queue的介绍和使用
- queue的介绍
- queue的使用
- queue的模拟实现
- priority_queue的介绍和使用
- priority_queue的介绍
- priority_queue的使用
- 优先级队列的模拟实现
- deque的介绍
- deque的结构
- deque的缺陷
- 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
stack的介绍和使用
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。stack：将特定类作为其底层，元素从特定容器的尾部(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。
stack的使用
| 函数接口 | 接口说明 |
|---|---|
| stack | 构造空栈 |
| empty | 检测stack是否为空 |
| size | 返回stack中元素个数 |
| top | 返回栈顶元素的引用 |
| push | 将元素val压入stack。对于自定义类型的栈，参数只能是对象 |
| emplace | 将元素val压入栈。对于自定义类型的栈，参数可以为对象，也可以为对象的构造参数， |
| pop | 将stack的栈顶元素弹出 |
| swap | 交换两个栈 |
stack的模拟实现
#include<vector>
namespace xxm
{
template<class 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:
std::vector<T> _c;
};
}
queue的介绍和使用
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。
queue的使用
| 函数接口 | 接口说明 |
|---|---|
| queue | 构造空队列 |
| empty | 检测queue是否为空 |
| size | 返回queue中元素个数 |
| 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val入队列。对于自定义类型的队列，参数只能是对象 |
| emplace | 在队尾将val入队列。对于自定义类型的队列，参数可以为对象，也可以为对象的构造参数， |
| pop | 将队头元素出队列 |
| swap | 交换两个队列 |
queue的模拟实现
因为queue的接口中存在头删和尾插，因此使用vector来封装效率太低，故可以借助list来模拟实现queue，具体如下：
#include <list>
namespace xxm
{
template<class T>
class queue
{
public:
queue() {}
void push(const T& x) {_c.push_back(x);}
void pop() {_c.pop_front();}
T& back() {return _c.back();}
const T& back()const {return _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:
std::list<T> _c;
};
}
priority_queue的介绍和使用
priority_queue的介绍
- 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。
- 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。
| 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/根据迭代器区间内的元素构造优先级队列 |
| empty | 判断优先级队列是否为空 |
| size | 返回优先级队列的元素个数 |
| top | 返回优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素 |
| push | 在优先级队列中插入元素 |
| emplace | 在优先级队列中插入元素 |
| pop | 删除优先级队列中的最大(最小)元素，即堆顶元素 |
| swap | 交换两个优先级队列 |
注意：
- 默认情况下，
priority_queue是大堆
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法头文件
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;
// 如果要创建小堆，见第三个模板参数换成greater即可
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
cout << q2.top() << endl;
}
- 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。
class Date
{
public:
Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
: _year(year)
, _month(month)
, _day(day)
{}
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);
}
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 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;
// 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;
}
优先级队列的模拟实现
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
// priority_queue--->堆
namespace xxm
{
template<class T>
struct less
{
bool operator()(const T& left, const T& right)
{
return left < right;
}
};
template<class T>
struct greater
{
bool operator()(const T& left, const T& right)
{
return left > right;
}
};
template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
class priority_queue
{
public:
// 创造空的优先级队列
priority_queue() : c() {}
template<class Iterator>
priority_queue(Iterator first, Iterator last)
: c(first, last)
{
// 将c中的元素调整成堆的结构
int count = c.size();
int root = ((count - 2) >> 1);
for (; root >= 0; root--)
AdjustDown(root);
}
void push(const T& data)
{
c.push_back(data);
AdjustUP(c.size() - 1);
}
void pop()
{
if (empty())
return;
swap(c.front(), c.back());
c.pop_back();
AdjustDown(0);
}
size_t size()const
{
return c.size();
}
bool empty()const
{
return c.empty();
}
// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性
const T& top()const
{
return c.front();
}
private:
// 向上调整
void AdjustUP(int child)
{
int parent = ((child - 1) >> 1);
while (child)
{
if (Compare()(c[parent], c[child]))
{
swap(c[child], c[parent]);
child = parent;
parent = ((child - 1) >> 1);
}
else
{
return;
}
}
}
// 向下调整
void AdjustDown(int parent)
{
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < c.size())
{
// 找以parent为根的较大的孩子
if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))
child += 1;
// 检测双亲是否满足情况
if (Compare()(c[parent], c[child]))
{
swap(c[child], c[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
return;
}
}
private:
Container c;
};
}
void TestQueuePriority()
{
bite::priority_queue<int> q1;
q1.push(5);
q1.push(1);
q1.push(4);
q1.push(2);
q1.push(3);
q1.push(6);
cout << q1.top() << endl;
q1.pop();
q1.pop();
cout << q1.top() << endl;
vector<int> v{ 5,1,4,2,3,6 };
bite::priority_queue<int, vector<int>, bite::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
cout << q2.top() << endl;
q2.pop();
q2.pop();
cout << q2.top() << endl;
}
deque的介绍
deque的结构
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。
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，因此其效率是比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。
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：
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。- 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。
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：
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。- 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。
![二位偏序，P3660 [USACO17FEB] Why Did the Cow Cross the Road III G](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/a7a8ce60432b496aa22e00da58c9eaf9.png)
