栈、队列、优先级队列详解【c++】

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stack的介绍和使用

⚽stack的介绍

stack是一种容器适配器，它专门用于实现后进先出（LIFO）的数据结构。stack是通过封装底层容器的方式实现的，它提供了一组特定的成员函数来访问其元素，将元素作为其底层容器的尾部（即栈顶）被压入和弹出。

stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下操作：

1. empty：判空操作
2. back：获取尾部元素操作
3. push_back：尾部插入元素操作
4. pop_back：尾部删除元素操作

标准容器vector、deque、list均符合这些需求。如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下将使用deque作为底层容器。

⚽stack的使用

栈是一种常见的数据结构，它是一种后进先出（LIFO）的数据结构，即最后进入的元素最先被访问。栈通常用于函数调用、表达式求值、括号匹配、迷宫问题等场景中。

stack给我们提供了以下几个函数：

函数说明	接口说明
stack()	构造空的栈
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

示例代码：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    // 创建一个空的栈
    stack<int> s;
    // 检查栈是否为空
    if (s.empty())
    {
        cout << "栈为空" << endl;
    }
    // 将元素压入栈中
    s.push(1);
    s.push(2);
    s.push(3);
    // 获取栈中元素的数量
    cout << "栈中元素的数量为：" << s.size() << endl;
    // 获取栈顶元素的引用
    cout << "栈顶元素为：" << s.top() << endl;
    // 弹出栈顶元素
    s.pop();
    cout << "弹出栈顶元素" << endl;
    // 获取栈中元素的数量
    cout << "栈中元素的数量为：" << s.size() << endl;
    // 再次获取栈顶元素的引用
    cout << "栈顶元素为：" << s.top() << endl;
    return 0;
}

运行结果：

在使用stack时，需要注意以下几点：

1. 栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构。
2. 在使用栈之前，需要包含头文件。
3. stack模板类只能存储相同类型的元素。
4. 当栈为空时，调用top()函数会导致未定义的行为。

queue的介绍和使用

⚽queue的介绍

队列（Queue）是一种常用的数据结构，它遵循先进先出（First In First Out，FIFO）的原则，即先进入队列的元素先出队列。队列可以用于实现很多算法和数据结构，例如广度优先搜索和缓存等。在C++中，可以使用STL中的queue容器适配器来实现队列。

queue作为容器适配器实现，可以将其底层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，例如deque和list，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(const T& obj)：在队列尾部插入元素obj。
• pop_front()：在队列头部弹出元素。

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

使用queue非常简单，只需要先创建一个queue对象，然后使用push()方法向队列中添加元素，使用pop()方法从队列中删除元素，使用front()和back()方法获取队头和队尾元素的引用。以下是queue提供给我们的一些函数方法。

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

示例代码：

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    queue<int> q;
    q.push(1);
    q.push(2);
    q.push(3);
    cout << "队列大小：" << q.size() << endl;  
    cout << "队头元素：" << q.front() << endl;  
    cout << "队尾元素：" << q.back() << endl;  
    q.pop();
    cout << "删除队头元素后，队列大小：" << q.size() << endl; 
    cout << "新的队头元素：" << q.front() << endl;  
    return 0;
}

运行代码：

queue使用的注意事项：

1. 使用前需要包含头文件。
2. queue是一种FIFO（先进先出）的数据结构，只能在队列的末尾添加元素，在队列的头部删除元素。
3. queue的底层实现可以是deque或list，因此可以根据需要选择适合的底层实现。默认情况下，使用deque作为底层实现。
4. queue的成员函数empty()、size()、front()、back()、push()、pop()的时间复杂度均为O(1)。
5. 使用front()和back()方法获取队头和队尾元素的引用时，需要先判断队列是否为空，否则会导致程序崩溃。
6. 在使用自定义类型作为queue的元素时，需要重载运算符<，以便queue可以比较元素大小，从而实现排序。

priority_queue的介绍和使用

⚽priority_queue的介绍

优先队列（Priority Queue）是一种容器适配器，它根据严格的弱排序标准，使得优先队列的第一个元素总是它所包含的元素中最大的。在优先队列中，可以随时插入元素，但只能检索最大元素（优先队列中位于顶部的元素）。

在C++中，优先队列被实现为容器适配器，它可以将特定容器类封装作为其底层容器类，并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，例如vector和deque，也可以是其他特定设计的容器类。该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的个数。
• front()：返回容器中第一个元素的引用。
• push_back(const T& obj)：在容器尾部插入元素obj。
• pop_back()：删除容器尾部元素。

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。

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。

⚽priority_queue的使用

优先队列（Priority Queue）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本质上就是一个堆，可以用于需要使用堆的位置。

默认情况下，priority_queue是大堆（即最大堆），即优先队列中的第一个元素总是最大的。如果需要使用最小堆，可以通过指定比较函数来实现。

priority_queue提供了以下常用操作：

函数	说明
priority_queue()	构造一个空的优先级队列。
priority_queue(first, last)	构造一个空的优先级队列。
empty()	检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false。
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。

示例代码：

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    priority_queue<int> pq;
    pq.push(3);
    pq.push(1);
    pq.push(4);
    pq.push(1);
    cout << "堆顶元素：" << pq.top() << endl;  
    pq.pop();
    cout << "删除堆顶元素后，新的堆顶元素：" << pq.top() << endl;  
    return 0;
}

运行结果：

如果需要使用最小堆，可以通过指定比较函数来实现。例如，以下代码演示了如何创建一个最小堆：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> minHeap;
    minHeap.push(3);
    minHeap.push(1);
    minHeap.push(4);
    minHeap.push(1);
    cout << "堆顶元素：" << minHeap.top() << endl;
    minHeap.pop();
    cout << "删除堆顶元素后，新的堆顶元素：" << minHeap.top() << endl;
    return 0;
}

运行结果：

以下是使用priority_queue时需要注意的事项：

1. 使用前需要包含头文件。
2. 默认情况下，priority_queue是最大堆，即最大的元素总是位于队列的最前面。如果需要使用最小堆，可以通过指定比较函数来实现。
3. priority_queue的底层实现是堆，因此可以用于实现最大堆或最小堆。堆是一种特殊的二叉树，具有以下性质：

• 堆是一棵完全二叉树。
• 堆中每个节点的值都大于等于（或小于等于）其子节点的值。

总结

本篇博客对c++的stack，queue和priority_queue的介绍和使用进行了阐述，以上三种容器的使用都十分简单，只需要调用相应的方法即可。需要注意的是，使用这些容器时，需要注意线程安全问题、内存管理问题和异常处理问题。

此外，C++还提供了其他的容器，如vector、list、map等，不同的容器适用于不同的场景，开发者需要根据具体的需求选择合适的容器。

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