Stack和Queue的用法

首先，关于Stack和Queue它们的底层逻辑，我们已经在数据结构——栈和队列中说过了。所以，在此，我们就不做过多赘述。

Stack:

其中，这里的emplace实际上就是一个insert。它们在效果上类似，但是具体实现的原理不同。

其接口总共也就这么多。

我们来举个例子吧。

void test_stack()
{
  std::stack st;
  st.push(1);
  st.push(2);
  st.push(3);
  st.push(4);
  st.push(5);
  while (!st.empty())
  {
  cout << st.top() << " ";
  st.pop();
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
    test_stack();
    return 0;
}

就这么一段代码，先入栈，入栈5次，然后一次取栈顶元素打印，然后出栈。

让其执行，我们得到这样一个结果：

我们再来叙叙Queue（队尾入，队头出）

同样的，还是很简单。

Queue:

然后我们举一个例子，就结束。因为这些接口还是比较易懂的。

void test_queue()
{
  std::queue q;
  q.push(1);
  q.push(2);
  q.push(3);
  q.push(4);
  q.push(5);
  while (!q.empty())
  {
  cout << q.front() << " ";//队尾入，队头出
  q.pop();
  }
  cout << endl;
}//没有迭代器...
int main()
{
    test_queue();
    return 0;
}

运行截图：

好，栈和队列的用法就这么说完了。

Stack和Queue的模拟实现

要是按照我们的常规思路，我们应该会这样去写：

template 
  class stack
  {
  private:
  T* _a;
  size_t _size;
  size_t _top;
  };  //常规思路

那么，我们另外的思路是什么的？

答案是：用现有的容器。

我们之前已经实现过了vector、list等等了，现在，我完全可以将其拿过来，然后去使用。也就是说，将之前实现过的容器，拿过来修修改改，就是新的容器。而我们在这里，用到了它，它就叫做适配器。

不知刚刚是否注意到在库的文件当中，Stack和Queue的模板都有第二个参数：

而这后面的Container，就是叫适配器。

如果我们用适配器，来完成栈和队列的模拟实现的话，那就简单太多了。

具体分别对stack和queue来说：

栈:

1. 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。

2. 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。

3. 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

4. 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。

队列：

1. 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。

2. 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。

3. 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

4. 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

我们来看其模拟实现：

namespace   jxwd{  //使用容器适配器
  template >
  class stack
  {
  public:
  void push(const T& x)
  {
    _con.push_back(x);
  }
  void pop(const T& x)
  {
    _con.pop_back(x);
  }
  T top()
  {
    return _con.back();
  }
  size_t size()
  {
    return _con.size();
  }
  bool empty()
  {
    return size() == 0;
  }
  private:
  Container _con;
  };
template>
  class queue
  {
  public:
  void push(const T& x)
  {
    _con.push_back(x);
  }
  void pop()
  {
    _con.pop_front();
  }
  T front()
  {
    return _con.front();
  }
  T back()
  {
    return _con.back();
  }
  size_t size()
  {
    return _con.size();
  }
  private:
  Container _con;
  };
}

可以看到，在上述的代码中，我们分别用vector和deque作为适配器，完成stack和queue的实现。

这样的好处，是我们创建一个成员变量之后，就可以直接调用适配器的成员函数来实现我们所想要实现的功能。所以，就光从代码的长度上来说，简单的都不止一点点。

那么我们上文提到的deque是个什么东西呢？

我们来稍微说一说：

deque:(双向队列)

也就是说，其既可以想vector一样，支持随机访问，也可以像list一样插入删除。

那么，如果其真的有这么厉害，能不能替代vector和list呢？

答案是肯定不行的。

也就是说，

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

而这样的原因，实际上也是和deque的底层结构有关系。

总的来说，deque的底层结构是这样的：

我们来解释一下：

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。

下面的这张图应该很清晰：

就是说，其首先是有一个一个一维数组；

接着每一个数组的首元素地址再存储在一个指针数组里面。

然后，每个结点有4个迭代器，每一个迭代器分别指向map里（即那个指针数组）的位置，当前的元素的位置；当前一维数组第一个元素的位置和最后一个元素的下一个位置。

微信图片_20221209155058.png

仿函数

仿函数 -- 本质是一个函数对象但这个类的对象可以像函数一样去使用

举个例子：

就是说，我重载了这个()运算符，这样，就能让类的一个对象像函数一样去使用。

我们说这个干什么呢？因为我们下面实现优先级队列的时候要用到。

为什么要弄出来一个仿函数呢？本质上是因为函数指针用起来太复杂了。所以在C++中，我们用仿函数来替代之。

优先级队列（堆）

所谓优先级队列，本质上就是一个堆的实现过程。

1. 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。

2. 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)。

3. 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。

4. 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

5. 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。

6. 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

我们先来看其模拟实现：

template ,class Compare = Less>//这里的第三个模板参数即为仿函数
  class priority_queue
  {
  public:
  Compare cmp;                     //定义出一个仿函数对象
  void AdjustUp(size_t child)
  {
    size_t parent = (child - 1) / 2;
    while (child > 0)
    {
    if( cmp(_con[child] , _con[parent]))  //用仿函数去比较（类似于函数指针）
    {
      std::swap(_con[parent], _con[child]);
      child = parent;
      parent = (child - 1) / 2;
    }
    else
    {
      break;
    }
    }
  }
  void AdjustDown(int parent)
  {
    size_t child = parent * 2 + 1;
    while (child < _con.size())
    {
    if (child + 1 < _con.size() &&cmp( _con[child] , _con[child + 1]))
    {
      child++;
    }
    if (cmp(_con[parent] , _con[child]))
    {
      std::swap(_con[parent], _con[child]);
      parent = child;
      child = parent * 2 + 1;
    }
    else
    {
      break;
    }
    }
  }
  T top()
  {
    return _con[0];
  }
  bool empty()
  {
    return _con.empty();
  }
  void push(const T& x)
  {
    _con.push_back(x);
    AdjustUp(_con.size() - 1);
  }
  void pop()
  {
    std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
    _con.pop_back();
  }
  private:
  Container _con;
  };
  template
  struct Less
  {
  bool operator()(const T& l, const T& r)
  {
    return l < r;
  }
  };
  template
  struct great
  {
  bool  operator()(const T& l, const T& r)
  {
    return l > r;
  }
  };

模板进阶

非类型模板参数

模板参数分类类型形参与非类型形参。

类型形参：即出现在模板参数列表中，跟在class或者typename之类的参数类型名称。

非类型形参：就是用一个常量作为类(函数)模板的一个参数，在类(函数)模板中可将该参数当成常量来使用

有点像#define的意思

注意：

1. 浮点数、类对象以及字符串是不允许作为非类型模板参数的。

2. 非类型的模板参数必须在编译期就能确认结果。

模板的特化

通常情况下，使用模板可以实现一些与类型无关的代码，但对于一些特殊类型的可能会得到一些错误的结果

就像这个：

template
bool IsEqual(T& left, T& right)
{
    return left == right;
}
void Test()
{
    char* p1 = "hello";
    char* p2 = "world";
    if(IsEqual(p1, p2))
        cout<
    else
        cout<
}

那么这个时候，最好就是将模板进行特化。即在原模板类的基础上，针对特殊类型所进行特殊化的实现方式。

模板特化中分为函数模板特化与类模板特化。

函数模板特化

函数模板的特化步骤：

1. 必须要先有一个基础的函数模板

2. 关键字template后面接一对空的尖括号<>

3. 函数名后跟一对尖括号，尖括号中指定需要特化的类型

4. 函数形参表: 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同，如果不同编译器可能会报一些奇怪的错误

就像这样：

template<>
bool IsEqual(char*& left, char*& right)
{
    if(strcmp(left, right) > 0)
        return true;
    return false;
}

注意：一般情况下如果函数模板遇到不能处理或者处理有误的类型，为了实现简单通常都是将该函数直接给出。

就是说直接这样：

bool IsEqual(char* left, char* right)
{
    if(strcmp(left, right) > 0)
        return true;
    return false;
}

类模板特化

全特化

全特化即是将模板参数列表中所有的参数都确定化（如下：）

template
class Data
{
public:
    Data() {cout<<"Data" <
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
template<>
class Data
{
public:
    Data() {cout<<"Data" <
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};
void TestVector()
{
    Data d1;
    Data d2;
}

偏特化

偏特化：任何针对模版参数进一步进行条件限制设计的特化版本

偏特化有以下两种表现方式：

部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化。

// 将第二个参数特化为int
template 
class Data
{
public:
    Data() {cout<<"Data" <
private:
    T1 _d1;
    int _d2;
};

参数更进一步的限制

偏特化并不仅仅是指特化部分参数，而是针对模板参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

//两个参数偏特化为指针类型
template 
class Data 
{
public:
    Data() {cout<<"Data" <
private:
    T1 _d1;
    T2 _d2;
};

模板分离编译

这个我们就简单提一下：笔者觉得这部分本身很简单，没什么好说的了。

千言万语一句话：模板不能分离编译。

// a.h
template
T Add(const T& left, const T& right);
// a.cpp
template
T Add(const T& left, const T& right)
{
    return left + right;
}
// main.cpp
#include"a.h"
int main()
{
    Add(1, 2);
    Add(1.0, 2.0);
    return 0;
}

就像这样。

原因：

解决方法：

1. 将声明和定义放到一个文件 "xxx.hpp" 里面或者xxx.h其实也是可以的。推荐使用这种。

2. 模板定义的位置显式实例化。

模板总结

【优点】

1. 模板复用了代码，节省资源，更快的迭代开发，C++的标准模板库(STL)因此而产生

2. 增强了代码的灵活性

【缺陷】

1. 模板会导致代码膨胀问题，也会导致编译时间变长

2. 出现模板编译错误时，错误信息非常凌乱，不易定位错误

初阶C++ 第五节—STL之Stack和Queue（deque+priority_queue）+适配器 + 仿函数 + 模板进阶

Stack和Queue的用法

Stack:

Queue:

Stack和Queue的模拟实现

deque:(双向队列)

仿函数

优先级队列（堆）

模板进阶

非类型模板参数

模板的特化

函数模板特化

类模板特化

模板分离编译

原因：

解决方法：

模板总结

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Stack和Queue的用法

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deque:(双向队列)

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