(超级清晰带链接)STL--stack与queue(deque)--C++

一、stack和queue

1、stack的介绍和使用

1.1、stack的介绍

stack的文档介绍

1. 栈是一种容器适配器，专门设计用于在 LIFO 上下文（后进先出）中运行，其中元素仅从容器的一端插入和提取。
2. 栈作为容器适配器实现，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其基础容器的类，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 “back” 推送/弹出，这称为栈的顶部。

1.2、stack的使用

最小栈

class MinStack
{ 
public:
	void push(int x)
	{
		// 只要是压栈，先将元素保存到_elem中
		_elem.push(x);
		// 如果x小于_min中栈顶的元素，将x再压入_min中
		if(_min.empty() || x <= _min.top())
			_min.push(x);
	} 
	void pop()
	{
		// 如果_min栈顶的元素等于出栈的元素，_min顶的元素要移除
		if(_min.top() == _elem.top())
			_min.pop();
		_elem.pop();
	} 
	int top()
	{
		return _elem.top();
	}
	int getMin()
	{
		return _min.top();
	}
private:
	// 保存栈中的元素
	std::stack<int> _elem;
	// 保存栈的最小值
	std::stack<int> _min;
};

1.3、stack的模拟实现

从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。具体实现如下:

#include<vector>
namespace xz
{
	template<class T>
	class stack
	{ 
	public:
		stack() 
		{}
		void push(const T& x) 
		{
			_c.push_back(x);
		}
		void pop() 
		{
			_c.pop_back();
		}
		T& top() 
		{
			return _c.back();
		}
		const T& top()const 
		{
			return _c.back();
		}
		size_t size()const 
		{
			return _c.size();
		}
		bool empty()const 
		{
			return _c.empty();
		}
	private:
		std::vector<T> _c;
	};
}

2、queue的介绍和使用

2.1、queue的介绍

queue的文档介绍

翻译：

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。

2.2、queue的使用

2.3、queue的模拟实现

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，故可以借助list来模拟实现queue，具体如下：

#include <list>
namespace xz
{
	template<class T>
	class queue
	{ 
	public:
		queue() 
		{}
		void push(const T& x) 
		{
			_c.push_back(x);
		}
		void pop() 
		{
			_c.pop_front();
		}
		T& back() 
		{
			return _c.back();
		}
		const T& back()const 
		{
			return _c.back();
		}
		T& front() 
		{
			return _c.front();
		}
		const T& front()const 
		{
			return _c.front();
		}
		size_t size()const 
		{
			return _c.size();
		}
		bool empty()const 
		{
			return _c.empty();
		}
	private:
		std::list<T> _c;
	};
}

二、priority_queue的介绍和使用

1、priority_queue的介绍

priority_queue文档介绍

翻译：

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。

2、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。

【注意】

1. 默认情况下，priority_queue是大堆。

#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
	// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
	vector<int> v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
	priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v)
		q1.push(e);
	
	cout << q1.top() << endl;
	// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(),v.end());
	cout << q2.top() << endl;
} 

1. 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

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)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{
	// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
	priority_queue<Date> q1;
	q1.push(Date(2018, 10, 29));
	q1.push(Date(2018, 10, 28));
	q1.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q1.top() << endl;
	// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
	priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2018, 10, 29));
	q2.push(Date(2018, 10, 28));
	q2.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q2.top() << endl;
}

3、priority_queue的模拟实现

通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对对进行通用的封装即可。

优先级队列的模拟实现

三、容器适配器

1、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。

2、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，比如:

3、deque的简单介绍(了解)

3.1、deque的原理介绍

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，其底层结构如下图所示：

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：

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

3.2、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。

4、为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

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。

4.1、STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

stack的模拟实现

queue的模拟实现