C++第八讲：STL--stack和queue的使用及模拟实现
- 1.stack的使用
- 2.queue的使用
- 3.栈和队列OJ题
- 3.1题目1：最小栈
- 3.2题目2：栈的压入、弹出序列
- 3.3题目3：逆波兰表达式求值
- 3.4题目4：用栈实现队列
- 4.栈的模拟实现
- 5.队列的模拟实现
- 6.deque
- 6.1什么是deque
- 6.2deque的底层实现
- 6.3deque迭代器的讲解
- 6.4库中deque实现细节
- 7.prioriry_queue的介绍和使用
- 7.1什么是priority_queue
- 7.2在OJ题中的使用
- 7.3priority_queue的模拟实现
- 7.3.1仿函数
- 7.3.1.1仿函数的其它应用场景
1.stack的使用
有了前面的基础之后，栈和队列的使用都很简单，而且其中的接口我们在数据结构中都实现过，所以我们直接看一遍即可：
不同的是，栈中没有实现迭代器，这其实与栈和队列的实现有关：
那么它的访问方式只有循环出栈和获取栈顶元素：
#include <stack>
int main()
{
stack<string> s1;
s1.emplace("hello world!");
s1.emplace("Xxxxxxxxxxxxx");
while (!s1.empty())
{
cout << s1.top();
s1.pop();
}
cout << endl;//Xxxxxxxxxxxxxhello world!
cout << s1.empty() << endl;//1，表示此时栈为空
return 0;
}
2.queue的使用
queue的使用和stack相同，这里不再看：
#include <queue>
int main()
{
queue<string> q1;
q1.emplace("hello world!");
q1.emplace("Xxxxxxxxxxxx");
while (!q1.empty())
{
cout << q1.front();
q1.pop();
}
cout << endl;//hello world!Xxxxxxxxxxxx
cout << q1.empty() << endl;//1，表示队列为空
return 0;
}
3.栈和队列OJ题
3.1题目1：最小栈
链接: 最小栈
class MinStack {
public:
MinStack() {
//初始化堆栈操作其实不用实现：
//1.自己不实现，内置类型：不一定处理，自定义类型：走自己的构造函数，stack中有自己的构造函数
//2.写了函数不实现：走初始化列表，没有初始化列表，判断是否给了初始值，最后走构造函数
//所以我们既可以给这个函数删了，也可以置之不管，我们这里直接不管
}
void push(int val) {
_stack.push(val);
if(_minstack.empty() || val <= _minstack.top()) _minstack.push(val);
}
void pop() {
if(_stack.top() == _minstack.top()) _minstack.pop();
_stack.pop();
}
int top() {
return _stack.top();
}
int getMin() {
return _minstack.top();
}
private:
//创建两个栈
stack<int> _stack;
stack<int> _minstack;
};
3.2题目2：栈的压入、弹出序列
链接: 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;
stack<int> _stack;
int pushi = 0, popi = 0;
while(pushi < pushV.size())
{
_stack.push(pushV[pushi++]);//先入栈
while(!_stack.empty() && _stack.top() == popV[popi])
{
//当栈顶元素和要删除的元素相等时，要出栈
_stack.pop();
popi++;
}
}
return _stack.empty();//如果为空，返回true，否则返回false
}
};
3.3题目3：逆波兰表达式求值
链接: 逆波兰表达式求值
class Solution {
public:
int evalRPN(vector<string>& tokens) {
//首先要先取值入栈
stack<int> s1;
for(int i = 0; i<tokens.size(); i++)
{
string& s = tokens[i];
//枚举数字很困难，那么我们就枚举符号
//s是string类型，而s[0]是第一个字符
if(s == "+" || s == "-" || s == "*" || s == "/")
{
//是字符的话，就拿两个数据进行运算
int right = s1.top();
s1.pop();
int left = s1.top();
s1.pop();
switch(s[0])
{
case '+':
s1.push(left + right);
break;//注意break别忘记写了
case '-':
s1.push(left - right);
break;
case '*':
s1.push(left * right);
break;
case '/':
s1.push(left / right);
break;
}
}
else
{
//是数字，就入栈
s1.push(atoi(s.c_str()));
}
}
return s1.top();
}
};
3.4题目4：用栈实现队列
链接: link
class MyQueue {
public:
MyQueue() {
}
void push(int x) {
//入队列就是直接向入栈中插入数据
Push.push(x);
}
int pop() {
//如果出栈中有数据，直接出栈，否则，先入栈，再出栈
if(Pop.empty())
{
while(!Push.empty())
{
Pop.push(Push.top());
Push.pop();
}
}
int ret = Pop.top();
Pop.pop();
return ret;
}
int peek() {
if(Pop.empty())
{
while(!Push.empty())
{
Pop.push(Push.top());
Push.pop();
}
}
return Pop.top();
}
bool empty() {
return Push.empty() && Pop.empty();
}
private:
//应该是要两个栈，一个是入栈，一个是出栈
stack<int> Push;
stack<int> Pop;
};
4.栈的模拟实现
栈的实现较为简单，我们直接来看：
//栈的模拟实现
1.我们可以按照之前数据结构讲的那样，开辟数组来实现栈
//template<class T>
//class Stack
//{
//private:
// T* _a;
// size_t _top;
// size_t _capacity;
//};
//但是库中的栈并不是这样实现的，而是使用了一个适配器：
namespace Mine
{
template<class T, class container>
class Stack
{
public:
//入栈
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);//因为使用了之前我们用过的容器来实例化栈，所以我们可以直接使用容器的函数来实现栈！
}
//出栈
void pop()
{
_con.pop_back();
}
//获取栈顶元素
const T& top() const
{
return _con.back();
}
//栈中的数个数
size_t size() const
{
return _con.size();
}
//判空
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
container _con;//这时我们可以直接使用容器来创建一个对象
};
}
///
#include "Stack.h"
int main()
{
Mine::Stack<int, vector<int>> s1;
s1.push(1);
s1.push(2);
s1.push(3);
while (!s1.empty())
{
cout << s1.top() << " ";
s1.pop();
}
cout << endl << s1.size();//3 2 1 0(size)
return 0;
}
但是我们可能会有疑惑：为什么我们可以直接使用到std中的stack以及它的函数呢？因为：using namespace std;我们在一开始就已经展开了，如果我们不展开的话，还要加上std::，如果展开在#include "Stack.h"后面，也是没有问题的，因为stack是模板参数，当实例化时才会进行错误的检查
5.队列的模拟实现
队列的实现也比较简单，我们直接看即可：
//队列的模拟实现
//队列的实现也是这样：
namespace Mine
{
//在模板定义时可以直接为模板参数赋初始值
template <class T, class container = list<int>>
class Queue
{
public:
//入队列
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
//出队列
void pop()
{
//对于vector来说，它没有相应的头删函数，因为头删的消耗太大了，所以容器不能够使用vector
_con.pop_front();
}
//获取队头元素
const T& front() const
{
return _con.front();
}
//获取队尾元素
const T& back() const
{
return _con.back();
}
//队列大小
size_t size() const
{
return _con.size();
}
//队列判空
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
container _con;
};
}
/
#include <list>
#include "Queue.h"
int main()
{
Mine::Queue<int, list<int>> q1;
q1.push(1);
q1.push(2);
q1.push(3);
while (!q1.empty())
{
cout << q1.front() << " ";
q1.pop();
}
cout << endl;//1 2 3
return 0;
}
6.deque
上面我们已经实现了栈和队列，但是我们看库中的栈和队列时，会发现：
库中实现的栈和队列的适配器传入的都是一个叫deque的容器，那么这个容器究竟是什么呢？这个容器的底层实现是什么呢？：
6.1什么是deque
我们可以看一下deque实现的功能：
6.2deque的底层实现
所以说deque的缺陷在于[]访问这里，通过代码验证可知，在对10000个数据进行排序时，使用vector比使用deque快将近两倍多，而且如果将deque中的数据拷贝到vector中进行排序，排序之后再拷贝过来的效率也要比单独在deque中进行排序快两倍左右！
所以deque的访问是一个大问题，而拷贝其实是不怎么消耗时间的
6.3deque迭代器的讲解
所以说，对于栈和队列那种不经常插入删除的容器来说，使用deque是再好不过的了
下面我们来看一下deque的迭代器是怎么实现的：
6.4库中deque实现细节
7.prioriry_queue的介绍和使用
7.1什么是priority_queue
翻译为优先级队列，包含在queue头文件中，可以按照数据的优先级对数据进行排序，默认是较大值，它的第一个元素总是大于它所包含的其它元素，它的使用如下：
int main()
{
priority_queue<int> pq1;
pq1.push(5);
pq1.push(1);
pq1.push(2);
pq1.push(9);
//默认是按照大的优先级排列
while (!pq1.empty())
{
cout << pq1.top() << " ";
pq1.pop();
}
cout << endl;//9 5 2 1
return 0;
}
我们看到这个是不是感觉很熟悉，那就是堆，大堆、小堆和这个相似，所以我们可以使用堆的方法来实现这个容器
int main()
{
//如果我们想要让小的数据优先级高，需要这样使用：
//priority_queue<int, vector<int>, less<int>> pq1;
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq1;
pq1.push(5);
pq1.push(1);
pq1.push(2);
pq1.push(9);
while (!pq1.empty())
{
cout << pq1.top() << " ";
pq1.pop();
}
cout << endl;//1 2 5 9
return 0;
}
7.2在OJ题中的使用
链接: 数组中的第k个最大元素
有了这个容器，该题目实现起来很简单：
class Solution {
public:
int findKthLargest(vector<int>& nums, int k) {
priority_queue<int> pq1;
//先插入数据
for(int i = 0; i<nums.size(); i++)
{
pq1.push(nums[i]);
}
while(--k)//再将k前边的数据进行删除
{
pq1.pop();
}
return pq1.top();//最后只剩下数据k了，直接返回
}
};
7.3priority_queue的模拟实现
模拟实现需要使用堆中的算法，所以需要先进行复习：
链接: link
向上调整算法：
上面的图是按照小的优先级高来画的，但是默认是大的优先级大，但是实现思路相同
7.3.1仿函数
我们先实现一下优先级队列的迭代器区间构造：
//迭代器区间构造
template<class Inputiterator>
priority_queue(Inputiterator begin, Inputiterator end)
:_con(begin, end)
{
//迭代器区间插入之后，要将_con设置成为大堆
for (int i = (_con.size()-1-1)/2; i >= 0; i--)
{
AdjustDown(i);
}
}
int main()
{
int a[] = { 1, 5, 3, 9, 7 };
//Mine::priority_queue<int> pq(a, a+sizeof(a)/sizeof(int));
Mine::priority_queue<int> pq;//err：没有合适的默认构造可用
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;
return 0;
}
当我们不写默认构造的话，编译器会自己提供一个默认构造，但是这里我们写了默认构造，但是不想写_con，也就是容器适配器(vector)的默认构造，有没有什么办法？：
这需要写这个就可以强制生成一个默认构造来使用
但是我们知道，库中的优先级队列的实现可以通过传入greater或less参数来实现优先级的更改的，那么我们如何实现这个操作呢？这时候就要看仿函数这个概念了：
template<class T>
struct Less
{
bool operator()(const T& x, const T& y) const
{
return x < y;
}
};
template<class T>
struct Greater
{
bool operator()(const T& x, const T& y) const
{
return x > y;
}
};
int main()
{
//仿函数的使用
Less<int> LessFunc;
cout << LessFunc(1, 2) << endl;//1
//如果我们只看LessFunc(1, 2)这个的话，很想一个函数调用，所以被称为仿函数
return 0;
}
可以看出，仿函数的使用还是很简单的，而仿函数调用的原理其实是：
仿函数在我们实现的优先级队列中的应用为：
但是库中在实现优先级队列时，传入的是less，创建的是大堆，传入的是greater，创建的是小堆，所以我们也要做一下更改：
7.3.1.1仿函数的其它应用场景
//假设我们实现了一个日期类，其中实现了日期类的传参构造，>和<的比较，以及流插入的重载
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);
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
int main()
{
Mine::priority_queue<Date> q1;
q1.push({ 2024, 10, 23 });
q1.push({ 2024, 5, 27 });
q1.push({ 2024, 11, 2 });
while (!q1.empty())
{
cout << q1.top() << " ";
q1.pop();
}
cout << endl;
return 0;
}
这里我们可以看到，该程序成功实现了我们的需求，但是我们这样改一下：
int main()
{
//这里传入的参数为Date*类型
Mine::priority_queue<Date*> q1;
q1.push(new Date{ 2024, 10, 23 });
q1.push(new Date{ 2024, 5, 27 });
q1.push(new Date{ 2024, 11, 2 });
while (!q1.empty())
{
cout << *q1.top() << " ";
q1.pop();
}
cout << endl;
return 0;
}
这时我们看到，因为传入的是地址，而地址在new开辟时是不确定的，所以通过比较地址大小来排序是完全不行的，谁最大都有可能出现，所以我们要解决这个问题：
struct Dateless
{
bool operator()(const Date* d1, const Date* d2) const
{
return *d1 < *d2;
}
};
struct Dategreater
{
bool operator()(const Date* d1, const Date* d2) const
{
return *d1 > *d2;
}
};
int main()
{
//Mine::priority_queue<Date*> q1;
Mine::priority_queue<Date*, vector<Date*>, Dateless> q1;
q1.push(new Date{ 2024, 10, 23 });
q1.push(new Date{ 2024, 5, 27 });
q1.push(new Date{ 2024, 11, 2 });
while (!q1.empty())
{
cout << *q1.top() << " ";
q1.pop();
}
cout << endl;
return 0;
}
可以看出，我们的解决方法为：再写出两个比较的类进行传入，如果我们需要比较的是两个指针的话，那么走的就是这个解引用的函数，所以仿函数的优点在于：如果库中不支持这个比较，而且我们访问不到这个类时，我们就可以自己写一个仿函数，实现我们想要的需求，但是如果我们不像每次比较时都要传参的话要怎么办呢？：这个之后会讲到！
我们现在还要看的一个是sort的传参和模板参数的问题：
