stack和queue模拟实现

啊QQQQQ

发布于 2024-11-19 19:14:23

2490

文章被收录于专栏：C++C++

容器适配器

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 。

这里可以再举一个例子,比如,从电压场出来的电压是很高的,并不能直接提供给家庭使用,这时候就需要变压器对电压进行处理成合适的电压才能使用.这个变压器就可以看成是一个适配器;

前面我们已经学过了vector,list,string等等的容器,像stack和queue等有些容器呢,其实是通过现有的容器进行处理包装从而形成了一种新的容器来应对新的问题,这样容器的底层实现就是通过容器适配器将其他的容器以及对应的成员函数进行了一定的封装处理;

deque的简单了解

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就是融合了 vector和list的结合体 ,我们只要简单了解其大致原理,并不需要进行模拟实现,平时也不常用到deque;

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：解释:deque底层是一个指针数组,每一个指针指向的那个数组中的元素都是固定的,这样就形成了二维数组的结构,所以可以通过重载[]在实现随机访问,这就是弥补了list的劣势;

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，如下图所示：

deque的迭代器包含了4个指针,cur,first,last是数组内的指针,分别指向目前数组中的元素,数组中的首元素,数组中的尾元素,而node是一个二级指针,指向指针数组中的当前数组的地址;

注意的是:从图中我们可以看到,第一个buffer数组并非是指针数组的第一个位置,这是为了方便头插,所以给前面留下的空间;

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

deque的头插和头删:头插的效率是O(1),如图所示,当deque存在1 2 3 元素时,这时候我们想要依次进行头插-1,-2,-4,就需要在上一个位置开辟一个新的buffer数组,而且是倒着储存.头删的话就是直接把最前面的元素删掉即可;这一点就是弥补了顺序表头插和头删效率低的缺点;

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 。

为什么deque作为stack和queue的底层容器

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：

1. 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。

2. 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。

stack的介绍和使用

stack的介绍

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 。

stack的使用

栈的功能函数很简单,常用的操作就只有入栈(push),出栈(pop),取栈顶元素(top),判空(empty),返回元素个数(size);

stack的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<Vector>
#include<list>
#include<deque>
#include<queue>
using namespace std;


namespace bit
{
	template<class T,class container=deque<T>>
	class stack
	{
	public:   
		stack() = default;  
		//压栈
		void push(const T& x) 
		{
			con.push_back(x);                 
		}
		//出栈
		void pop()
		{
			con.pop_back();             
		}
		//取出栈顶元素
		T top()
		{
			return con.back();     
		}
		//判断栈是否为空
		bool empty()
		{
			return con.empty();      
		} 
		//返回栈中元素个数
		size_t size()
		{
			return con.size();  
		}
	private:
		container  con;      //底层容器
	};
}

queue的介绍和使用

queue的介绍

文档:https://cplusplus.com/reference/queue/queue/

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。

queue的使用

queue的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<deque>
#include<queue>
#include<vector>


using namespace std;



namespace bit 
{
	template<class T,class container=deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		queue() = default;   
		//返回队列元素个数
		size_t size()
		{
			return con.size();     
		}
		//入队列
		void push(const T& val)
		{
			con.push_back(val);    
		}
		//返回队头元素
		T front()
		{
			return con.front();   
		}
		//出队列
		void pop()
		{
			con.erase(con.begin());   
		}
		//返回队尾元素
		T back()
		{
			return con.back();  
		}
		bool empty()
		{
			return con.empty();         
		}
	private: 
		container con;     
	};
}

priority_queue优先级队列

priority_queue的介绍

文档:http://www.cplusplus.com/reference/queue/priority_queue/

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。

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 。

函数声明 : 接口说明

priority_queue()/priority_queue(first, last)

构造一个空的优先级队列或拷贝一个序列

empty( )

检测优先级队列是否为空，是返回 true ，否则返回 false

top( )

返回优先级队列中最大 ( 最小元素 ) ，即堆顶元素

push(x)

在优先级队列中插入元素 x

pop ()

删除优先级队列中最大 ( 最小 ) 元素，即堆顶元素

priority_queue的模拟实现

#pragma once


#include<iostream>
#include<algorithm>
#include<vector>


using namespace std;


namespace bit
{
	template<class T,class container=vector<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		//默认建大堆
		priority_queue() = default;  
		
		template<class Iterator   >
		priority_queue(Iterator first, Iterator last)    
			:con(first,last)  
		{
			//进行向下调整
			for (int i = con.size() - 2; i >= 0; i--)
				adjustdown(i);   
		}
		bool empty()
		{
			return con.empty();
		}
		T top()
		{
			return con[0];
		}
		//添加元素
		void push(const T& val)
		{
			con.push_back(val);   
			adjustup(con.size() - 1);   
		}
		void pop()
		{
			if (con.size() == 0)return;
			std::swap(con[0], con[con.size() - 1]);   
			con.pop_back();     
			adjustdown(0);

		}
		size_t size()
		{
			return con.size();
		}
	private: 
		//向下调整算法
		void adjustdown(int parent)
		{
			int child = 2 * parent + 1;
			while (child < con.size())
			{
				//选出最大的孩子
				if (child + 1 < con.size() && con[child] < con[child + 1])
					child++;
				if (con[parent] < con[child])
				{
					std::swap(con[child], con[parent]);
					parent = child;
					child = 2 * child + 1;
				}
				else
					break;
			}
		}
		//向上调整算法
		void adjustup(int child)
		{
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				if (con[child] > con[parent])
				{
					std::swap(con[child], con[parent]);
					child = parent;
					parent = (parent - 1) / 2;
				}
				else
					break;
			}
		}
		container con;
	};
}