【C++进阶】STL容器--stack和queue深度剖析优先队列适配器原理-编程知识

前言

1. 容器的使用

1.1 stack

1.2 queue

2. 什么是适配器

3. stack&&queue底层实现

4. deque的简单介绍

4.1 deque的缺陷

5. priority_queue

思考

6. priority_queue的实现

前言

栈和队列在C语言中大家都有所了解，C语言的栈和队列都是我们手动去实现，而C++中的栈和队列不同，它们的内部并不是自己实现的，而是适配器模式，它们都是容器适配器；本文将会围绕栈和队列来介绍适配器的原理；

在这里插入图片描述

1. 容器的使用

在深入了解STL容器之前，我们先来看看stack和queue库里边提供了哪些接口；

1.1 stack

栈的功能接口及简介

1.2 queue

队列的功能接口及简介

从这些接口及功能上我们发现，栈和队列它们都不支持遍历；在刷题时，栈的应用相较来说也比较多；

下边是一些练习题目，可以练习一下：

最小栈（力扣）

栈的压入和弹出序列（牛客）

逆波兰表达式求值（力扣）

二叉树的层序遍历（力扣）

二叉树的层序遍历使用队列解决

2. 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

它的核心其实就是复用，举个日常生活中的例子，充电器的适配器：

3. stack&&queue底层实现

开始时提到stack和queue都是容器适配器，那到底什么是容器适配器？我们先来看看它的底层声明或许就会明白了：

stack：

queue：

它们用到了两个模板参数，一个是存储的数据类型，一个就是底层实现的容器；它们默认使用的都是deque（双端队列）；

那到底什么是容器适配器？容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类

了解完这些我们可以上手来实现一下：

我们可以复用其他容器的接口来实现封装，为了和库里尽量保持一致，我们也使用双模板参数：

实现代码如下：

栈

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

队列

template<class T, class container = deque<T>>
class queue
{
public:void push(const T& x){return _con.push_back(x);}void pop(){return _con.pop_front();}T& front(){return _con.front();}T& black(){return _con.black();}bool empty(){return _con.empty();}size_t size(){return _con.szie();}private:container _con;
};

在调用时我们也可以控制它底层使用的容器

queue<int, list<int>> q1;
stack<int, vector<int>> st;

我们在用STL库里的stack和queue时也没有传参啊？

这是因为库里边给Container（容器）一个缺省参数，默认使用的是deque（双端队列）

4. deque的简单介绍

双端队列名字中带有队列，但它其实并不是队列；

队列要求尾进头出，而双端队列可以双向进出；

简介

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，并且支持随机访问；

双端队列同时具体它们的优点，在功能上deque可以算的上是list和vector的结合版；

它的使用和list、vector的使用方法基本一致，但它的底层相较于它们却非常复杂；

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，实际deque类似于一个动态的二维数组；

数组里边存的是指针，指针指向的是一个个的buff数组，这个存放指针的数组也叫作中控数组

中控满了进行扩容时，会直接开一块新空间，将内容拷贝过去（拷贝指针代价较小）

4.1 deque的缺陷

与vector相比，deque的优势是：头插和头删时，不需要挪动数据，效率很高，扩容时也不需要大量的挪动数据（只需要挪作指针即可）；

与list相比，其底层是连续空间，空间利用率比较高；

它的各个属性都还可以可谓是 “ 六边形战士 ”，但是它的各个属性都不是最顶尖的；它的遍历效率没有vector高，中间插入删除操作没有list效率高；所以它主要作为stack和queue的底层容器；

主要原因有两个：

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中需要扩容时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)，在queue中空间利用率较高，不需要频繁开空间；

5. priority_queue

优先队列它也是一种容器适配器，默认情况下priority_queue类实例化时使用的是vector；

那优先队列到底是什么？本质是其实就是堆，在默认情况下是大堆，通过我们所传的模板参数进行控制；

如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式

vector<int> v = { 3,1,5,6,4,0 };
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());

思考

实现优先队列之前思考一个问题，优先队列需不需要实现：构造函数、拷贝构造、析构函数？

不需要，优先队列是一种容器适配器，它是通过其他容器封装来的，使用时生成默认的构造函数、拷贝构造、析构函数；它们又会去调用底层容器的构造函数、拷贝构造、析构函数；

6. priority_queue的实现

堆的相关内容前边已经介绍过了，详细介绍可见：二叉树的顺序存储（堆）

priority_queue基本框架如下：

template<class T, class container = vector<T>>
class priority_queue
{
public:private:container _con;
};

堆的核心内容就在于向上调整和向下调整(默认大堆），实现代码如下：

向上调整：

void adjust_up(int child)
{size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}
}

向下调整：

void adjust_down(int parent)
{size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1]){child++;}if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}

入堆和出堆以及其他功能的实现

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);
}bool empty()
{return _con.empty();
}T& top()
{return _con[0];
}
size_t size()
{return _con.size();
}

以上便是priority_queue的基本实现；细心的朋友可能会发现，我们实现的与库里的有些不同，在调整大堆小堆时也不能通过传参控制，对于当前实现的priority_queue我们还需要做进一步的封装，达到这些需求需要了解模板相关的其他内容；下期我将会再次深入探讨模板——模板进阶；

以上便是本文的全部内容，希望可以对你有所帮助，感谢阅读！