【C++/STL】stack和queue(容器适配器、优先队列、双端队列)-阿里云开发者社区

stack的介绍

stack是一种容器适配器。

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的底层容器应该支持以下操作：empty 、back、push_back、pop_back

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常用接口

queue的介绍

队列是一种容器适配器。

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，size，front，back，push_back，pop_front。

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。（vector不满足，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）

queue的使用

容器适配器

什么是适配器

适配器是一种设计模式，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。

STL标准库中stack和queue的底层结构

虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque。

deque的简单介绍

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。

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。
与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高。
在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，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。

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。

STL的六大组件

模拟实现

stack

queue

stack和queue的模拟实现基本一样。

优先队列

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。

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。

常用接口

简单使用

我们插入时，是乱序插入的，取出来却是降序的。因为优先队列默认是大堆，不过它并没有在里面进行排序，它在里面依旧是乱序的，只是取出来的是堆顶，是最大的。

如果我们想让他是小堆，就得改一下他的仿函数。

sort函数排序

sort排序默认是升序，想要降序就得改仿函数。注意这里是函数模板，要传对象，所以有括号。而优先队列那里没有括号，是因为那里是类模板。

在C语言中，我们排序如果要控制升序降序，传的是函数指针。而这里我们传的是仿函数。

上方是仿函数的简单模拟。

模拟实现(简单版)

    template<class T,class Container=vector<T>>
    class priority_queue
    {
    public:
        void adjust_up(size_t child)
        {
            int parent = (child - 1) / 2;
            while (child > 0)
            {
                if (_con[child] > _con[parent])
                {
                    swap(_con[child], _con[parent]);
                    child = parent;
                    parent = (child - 1) / 2;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
        }
 
        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
            adjust_up(_con.size() - 1);
        }
 
        void adjust_down(size_t parent)
        {
            size_t child = parent * 2 + 1;
            while (child<_con.size()) 
            {
                if (child + 1 < _con.size() && _con[child + 1] > _con[child])
                {
                    ++child;
                }
 
                if (_con[child] > _con[parent])
                {
                    swap(_con[child], _con[parent]);
                    parent = child;
                    child = parent * 2 + 1;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
        }
 
        void pop()
        {
            swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
            _con.pop_back();
            adjust_down(0); 
        }
 
        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }
 
        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
 
        const T& top()
        {
            return _con[0];
        }
    private:
        Container _con;
    };

上面是默认的大堆。如果想要它是小堆，要怎么办呢?

如下图修改：

这样做的优势是，我们只需要传不同的仿函数即可修改为升序或者降序。不传默认是大堆。

自定义类型

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。

上面是日期类，Date类型，比较时，只需要重载运算符即可。如果我们传的是Date*又该怎么办呢？

可以看到，第二行每次的结果都是不一样的。空间并不一定越晚开，地址就越高。这里不能通过重载运算符解决，因为重载必须包含自定义类型，而指针是内置类型。解决方法是：专门写一个仿函数。

从这个样例可以得出，仿函数不仅可以控制比较逻辑，还可以控制如何比较。

测试完整代码

queue.h

#pragma once
#include<deque>
 
namespace qjh
{
    template<class T, class Container = deque<T>> //有了Container就可以根据需要实现链式栈或数组栈了
    class queue
    {
    public:
        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }
 
        void pop()
        {
            _con.pop_front();
        }
 
        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
 
        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }
 
        const T& front()
        {
            return _con.front();
        }
 
        const T& back()
        {
            return _con.back();
        }
    private:
        Container _con;
    };
 
    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;
        }
    };
 
    //大堆
    template<class T,class Container=vector<T>,class Compare=less<T>>
    class priority_queue
    {
    public:
        void adjust_up(size_t child)
        {
            Compare com; 
            int parent = (child - 1) / 2;
            while (child > 0)
            {
                //if (_con[child] > _con[parent])
                //if (_con[parent]<_con[child] )
                if (com(_con[parent] , _con[child]))
                {   
                    swap(_con[child], _con[parent]);
                    child = parent;
                    parent = (child - 1) / 2;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
        }
 
        void push(const T& x)
        { 
            _con.push_back(x);
            adjust_up(_con.size() - 1);
        }
 
        void adjust_down(size_t parent)
        {
            Compare com;
            size_t child = parent * 2 + 1;
            while (child<_con.size()) 
            {
                //if (child + 1 < _con.size() && _con[child + 1] > _con[child])
                //if (child + 1 < _con.size() && _con[child]<_con[child + 1] )
                if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child] , _con[child + 1]))              
                {
                    ++child;
                }
 
                //if (_con[child] > _con[parent])
                //if ( _con[parent]< _con[child])
                if (com(_con[parent] , _con[child]))
                {
                    swap(_con[child], _con[parent]);
                    parent = child;
                    child = parent * 2 + 1;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
        }
 
        void pop()
        {
            swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
            _con.pop_back();
            adjust_down(0); 
        }
 
        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }
 
        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
 
        const T& top()
        {
            return _con[0];
        }
    private:
        Container _con;
    };
}

stack.h

#pragma once
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>
 
namespace qjh
{
 
    //设计模式
    //适配器模式--转换
    //stack<int,vector<int>> st1;
    //stack<int,list<int>> st2;
    template<class T,class Container=deque<T>> //有了Container就可以根据需要实现链式栈或数组栈了
    class stack
    {
    public:
        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }
 
        void pop()
        {
            _con.pop_back();
        }
 
        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
 
        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }
 
        const T& top()
        {
            return _con.back();
        }
    private:
        Container _con;
    };
}

test.cpp

#include<iostream>
using namespace std;
 
#include<algorithm>
#include<stack>
#include<queue>
#include<deque>
#include"stack.h"
#include"queue.h"   
 
void test_queue1()
{
    qjh::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;
}
 
 
void test_stack1()
{
    qjh::stack<int> st;
    st.push(1);
    st.push(2);
    st.push(3);
    st.push(4);
 
    while (!st.empty())
    {
        cout << st.top() << " ";
        st.pop();
    }
    cout << endl;
}
 
void test_priority_queue1()
{
    //默认大的优先级高，底层是大堆
    //priority_queue<int> pq;
 
    //大堆
    //qjh::priority_queue<int> pq; //类模板，传类型 
    //小堆
    qjh::priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq; //类模板，传类型 
 
    pq.push(2);
    pq.push(1);
    pq.push(4);
    pq.push(3);
    pq.push(7);
    pq.push(8);
 
 
    while (!pq.empty())
    {
        cout << pq.top() << " ";
        pq.pop();
    }
    cout << endl;
 
    //vector<int> v = { 3,1,7,4,6,3 };
    默认升序
    //sort(v.begin(), v.end());
    //for (auto e : v)
    //{
    //  cout << e << " ";
    //}
    //cout << endl;
 
    降序
 
    //sort(v.begin(), v.end(),greater<int>()); //匿名对象，函数模板
    //for (auto e : v)
    //{
    //  cout << e << " ";
    //}
    //cout << endl;
}
 
class Date
{
    friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
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);
    }
 
private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};
 
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
    _cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
    return _cout;
}
 
 
struct GreaterPDate
{
    bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
    {
        return *p1>*p2;
    }
};
 
void test_priority_queue2()
{
    qjh::priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> pq; 
 
    Date d1(2024, 4, 8);
    pq.push(d1);
    pq.push(Date(2024,4,10));
    pq.push({2024,2,15});
 
 
    while (!pq.empty())
    {
        cout << pq.top() << " ";
        pq.pop();
    }
    cout << endl;
 
    qjh::priority_queue<Date*, vector<Date*>, GreaterPDate> pqptr;
 
    pqptr.push(new Date(2024, 4, 14));
    pqptr.push(new Date(2024, 4, 11));
    pqptr.push(new Date(2024, 4, 15));
 
 
    while (!pqptr.empty())
    {
        cout << *(pqptr.top()) << " ";
        pqptr.pop();
    }
    cout << endl;
}
 
//仿函数/函数对象
//它的对象可以像函数一样的去使用
template<class T>
struct Less
{
    bool operator()(const T& x, const T& y)
    {
        return x < y;
    }
};
 
int main()
{
    //test_stack1();
    //test_queue1();
    test_priority_queue2();
    //Less<int> lessfunc;
    //cout << lessfunc(1, 2) << endl;
    //cout << lessfunc.operator()(1, 2) << endl;
    return 0;
}

【C++/STL】stack和queue(容器适配器、优先队列、双端队列)