一、stack的介绍和使用
1、stack的介绍
2、stack的使用
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| stack() | 构造空栈 |
| empty | 检测stack是否为空 |
| size | 返回stack中元素的个数 |
| top | 返回栈顶元素的引用 |
| push | 将元素val压入stack中 |
| pop | 将stack中尾部的元素弹出 |
示例如下：
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;
int main()
{
stack<int> st;
st.push(1);//入栈
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
st.pop();//出栈
cout << st.size() << endl;//元素个数
cout << st.top() << endl;//栈顶元素
cout << st.empty() << endl;//检查是否为空
//遍历
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
cout << endl;
return 0;
}
运行结果：
3、练习
我们使用stack的接口在这里完成两道练习题：
分析：在这里可以通过创建两个栈来实现。
class MinStack {
public:
MinStack() {}
void push(int val) {
_st.push(val);
if (_minst.empty() || val <= _minst.top())
{
_minst.push(val);
}
}
void pop() {
if (_minst.top() == _st.top())
{
_minst.pop();
}
_st.pop();
}
int top() { return _st.top(); }
int getMin() { return _minst.top(); }
private:
stack<int> _st;
stack<int> _minst;
};
分析：
class Solution {
public:
bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV) {
stack<int> st;
size_t popi = 0;
for (auto& e : pushV)
{
//入栈序列入栈
st.push(e);
//栈顶数据与出栈序列匹配
while (!st.empty() && st.top() == popV[popi])
{
st.pop();
++popi;
}
}
return st.empty();
}
};
4、stack的模拟实现
1）Stack.h
#pragma once
#include<deque>
namespace zsy
{
template<class T, class Container = std::deque<T>>//默认容器deque
class stack
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_back();
}
const T& top() const
{
return _con.back();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}
2）Test.cpp
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
#include"Stack.h"
namespace zsy
{
void test1()
{
stack<int, vector<int>> st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
cout << st.size() << endl;
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
}
}
运行结果：
二、queue的介绍和使用
1、queue的介绍
- 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。
- 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。
- 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
- 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、queue的使用
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| queue | 构造空的队列 |
| empty | 检测队列是否为空，是返回true，否则返回false |
| 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 | 在队尾将元素val入队列 |
| pop | 将队头元素出队列 |
示例如下：
#include<iostream>
#include<queue>
using namespace std;
int main()
{
queue<int> q;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
cout << q.size() << endl;
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " ";
q.pop();
}
return 0;
}
运行结果：
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或者deque来模拟实现queue，这里采用deque。
1）Queue.h
#pragma once
#include<deque>
namespace zsy
{
template<class T,class Container= std::deque<T> >
class queue
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_front();
}
const T& top() const
{
return _con.back();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con
};
}
2）Test.cpp
#include<iostream>
#include<list>
using namespace std;
#include"Queue.h"
namespace zsy
{
void test2()
{
queue<int, list<int>> q;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
cout << q.size() << endl;
cout << q.back() << endl;
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " ";
q.pop();
}
}
}
运行结果：
三、priority_queue的介绍和使用
1、priority_queue的介绍
- 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。
- 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)。
- 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。
- 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
- 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。
- 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、仿函数
仿函数：本质是一个类，这个类重载operator()，他的对象可以像函数一样使用。
可以在排序时自主控制升序或降序。
#include<iostream>
using namespace std;
//仿函数
template<class T>
class Less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};
template<class T>
class Greater
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x > y;
}
};
template<class Compare>
void BubbleSort(int* a,int n,Compare com)
{
for (int j = 1; j < n; j++)
{
//单趟
int flag = 0;
for (int i = 0; i < n - j; i++)
{
if (com(a[i], a[i + 1]))//coma[i] < a[i+1] 降序
{
int temp = a[i];
a[i] = a[i + 1];
a[i + 1] = temp;
flag = 1;
}
}
if (flag == 0)
{
break;
}
}
}
int main()
{
//实例化出对象再调用
Less<int> LessFunc;
Greater<int> GreaterFunc;
int a[] = { 9,1,2,5,7,4,6,3 };;
BubbleSort(a, 8, LessFunc);//降序
BubbleSort(a, 8, GreaterFunc);//升序
//匿名对象直接调用
BubbleSort(a, 8, Less<int>());//降序
BubbleSort(a, 8, Greater<int>());//升序
for (auto e : a)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
运行结果：
3、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通过某容器迭代器区间构造优先级队列 |
| empty | 检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false |
| size | 返回优先级队列中元素的个数 |
| top | 返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素 |
| push | 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 |
示例如下：
#include<iostream>
#include<queue>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v{ 1, 2, 3, 4, 5 };
priority_queue<int> pq(v.begin(), v.end());
//pq.push(5);
//pq.push(2);
//pq.push(4);
//pq.push(3);
//pq.push(1);
cout << pq.size() << endl;
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
return 0;
}
运行结果：
注意：
- 默认情况下，priority_queue是大堆。
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>//greater算法的头文件
int main()
{
//默认建大堆
vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };
priority_queue<int> q1(v.begin(), v.end());
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;
return 0;
}
运行结果：
- 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。
#include<iostream>
#include<queue>
#include <functional>
using namespace std;
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;
};
class DateGreater
{
public:
bool operator()(Date* p1, Date* p2)
{
return *p1 > *p2;
}
};
void TestPriorityQueue()
{
//默认建大堆(降序)，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));
while (!q1.empty())
{
cout << q1.top() << endl;
q1.pop();
}
cout << endl;
priority_queue<Date*, vector<Date*>, DateGreater> q2;//升序
q2.push(new Date(2018, 10, 29));
q2.push(new Date(2018, 10, 28));
q2.push(new Date(2018, 10, 30));
cout << *q2.top() << endl;
q2.pop();
cout << *q2.top() << endl;
q2.pop();
cout << *q2.top() << endl;
q2.pop();
}
运行结果：
4、priority_queue的模拟实现
通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对堆进行通用的封装即可。
1）PriorityQueue.h
#pragma once
#include<vector>
template<class T>
class Less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};
template<class T>
class Greater
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x > y;
}
};
template<class T>
class Less<T*>
{
public:
bool operator()(T* const& x, T* const& y)
{
return *x < *y;
}
};
template<class T>
class Greater<T*>
{
public:
bool operator()(T* const& x, T* const& y)
{
return *x > *y;
}
};
namespace zsy
{
//默认升序(大堆)
template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = Less<T>>
class priority_queue
{
public:
void AdjustUp(int child)//(插入)
{
Compare com;
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (com(_con[parent], _con[child]))//_con[parent]<_con[child]
{
swap(_con[parent], _con[child]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
void AdjustDown(int parent)//(删除)
{
Compare com;
//先假设左孩子小
int child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
//找出较小的孩子
if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
{
++child;
}
if (com(_con[parent], _con[child]))//_con[parent]<_con[child]
{
swap(_con[parent], _con[child]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
AdjustUp(_con.size() - 1);
}
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.pop_back();
AdjustDown(0);
}
const T& top()
{
return _con[0];
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}
2）Test.cpp
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
#include"PriorityQueue.h"
namespace zsy
{
void test3()
{
//priority_queue<int> pq;
priority_queue<int, vector<int>, Greater<int>> pq;//默认大堆
pq.push(5);
pq.push(3);
pq.push(1);
pq.push(4);
pq.push(2);
cout << pq.size() << endl;
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
}
}
运行结果：
四、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queue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
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？
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。
3）deque排序的效率
我们在这里对比一下deque和vector的效率：
void test_op1()
{
srand(time(0));
const int N = 1000000;
deque<int> dq;
vector<int> v;
for (int i = 0; i < N; i++)
{
auto e = rand() + i;
dq.push_back(e);
v.push_back(e);
}
int begin1 = clock();
sort(dq.begin(), dq.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end2 = clock();
printf("deque: %d\n", end1 - begin1);
printf("vector: %d\n", end2 - begin2);
}
运行结果：
发现vector的效率是要高于deque的，因此如果想要对deque进行排序的时候，可以先将其拷贝到vector中排序，再将排序后的数据拷贝回deque，我们可以测试一下所花的时间：
void test_op2()
{
srand(time(0));
const int N = 1000000;
deque<int> dq1;
deque<int> dq2;
for (int i = 0; i < N; i++)
{
auto e = rand() + i;
dq1.push_back(e);
dq2.push_back(e);
}
int begin1 = clock();
sort(dq1.begin(), dq1.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
//拷贝到vector
vector<int> v(dq2.begin(), dq2.end());
sort(v.begin(), v.end());
//拷贝回deque
dq2.assign(v.begin(), v.end());
int end2 = clock();
printf("deque sort: %d\n", end1 - begin1);
printf("deque copy vector sort, copy back deque: %d\n", end2 - begin2);
}
运行结果：
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：
- 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。
结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。