【C++】通过栈和队列学会使用适配器和优先队列学会仿函数的使用

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一、栈和队列的介绍

栈：

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。

队列：

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。

二、栈的模拟实现

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include 

namespace sqy
{
    template <class T, class Container = std::vector<T>>
    class stack
    {
    public:

        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }

        void pop()
        {
            _con.pop_back();
        }

        T& top()
        {
            return _con.back();
        }

        bool empty()
        {
            return size() == 0;
        }

        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }

    private:
        Container _con;
    };
}

注意：我们在模板上面添加对应栈结构的适配容器来支持栈的添加、删除、获取元素的操作。

并且我们将它设置为缺省参数，我们传参时就可以不传适配器，它就会使用自己默认的适配容器

三、队列的模拟实现

#pragma once
#include 
#include 
#include 
#include  
namespace sqy
{
    template <class T, class Container = std::list<T>>
    class queue
    {
    public:

        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }

        void pop()
        {
            _con.pop_front();
        }

        T& front()
        {
            return _con.front();
        }

        bool empty()
        {
            return size() == 0;
        }

        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }

    private:
        Container _con;
    };
}

四、栈和队列使用不同的默认适配器的区别

栈使用的适配器

队列使用的适配器

1.栈使用vector作为适配器可以减少一直开辟空间的消耗，提高效率

2.队列使用list而不使用vertor，是因为vector不适用区头删元素，这是由于队列的特性导致vertor不适用

3 . 为此，STL标准库为了让栈和队列使用统一的适配器，又产生了一个新的适配器，也就是双端队列，这个容器适合给栈和队列当作默认适配器。

五、deque的原理简单介绍

• 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，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？

使用cur进行++遍历，cur不等于last就一直进行++操作，当等于last后，node指向下个buffer，map存的是指针数组的映射，那么first和last也指向下一个的buffer的开头和结尾，cur指向first的位置，，往复如此，到最后一个buffer的时候，cur等于end()那么就遍历结束了

deque的源码解引用和判断操作

5.1 deque的缺点

• 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

六、priority_queue的介绍

优先级队列的特点是优先级高的先出。

​ 优先级队列是一种容器适配器，不提供迭代器，它的底层是一个堆（默认是大堆），这个堆默认使用vector进行适配。

priority_queue<int> pq;//pq底层为大堆
priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;//pq底层为小堆

6.1 优先队列中使用仿函数

仿函数，又称函数对象，它是一个类，类中重载了函数调用符号()；这个运算符重载的返回值根据需要去给。

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;
    }
};

6.2 模拟实现优先级队列

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
namespace sqy
{
    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 Container = std::vector<T>, class Compare = Less<T>>
    class priority_queue
    {
    private:

        void AdjustUp(int child)
        {
            Compare con;
            int n = _con.size();
            int parent = (child - 1) / 2;
            while(child > 0)
            {
                if(con(_con[parent],_con[child]))
                {
                    swap(_con[parent],_con[child]);
                    child = parent;
                    parent = (child - 1) / 2;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
        }
        void AdjustDown(int parent)
        {
            Compare con;
            int n = _con.size();
            int child = 2 * parent + 1;
            while(child < n)
            {
                if(child + 1 < n && con(_con[child],_con[child+1]))
                {
                    child++;
                }

                if(con(_con[parent], _con[child]))
                {
                    swap(_con[parent],_con[child]);
                    parent = child;
                    child = 2 * parent + 1;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }

        }

    public:
        priority_queue()
        {}
        template<class InputIterator>
        priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
        {
            while(first != last)
            {
                _con.push_back(*first);
                ++first;
            }

            for(int i = _con.size() - 2; i >= 0; i--)
            {
                AdjustDown(i);
            }
        }

        void pop()
        {
            assert(_con.size() != 0);
            swap(_con[0],_con[_con.size() - 1]);
            _con.pop_back();
            AdjustDown(0);
        }

        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
            AdjustUp(_con.size() - 1);
        }

        const T& top()
        {
            assert(_con.size() != 0);
            return _con[0];
        }

        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }

        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
    private:
        Container _con;
    };

注意：博主使用的是自己实现的仿函数，仿函数和c语言中的函数指针类似，但是祖师爷觉得使用c语言中的函数指针来比较大小太过于麻烦，所以祖师爷使用了仿函数的思想进行比较大小，这样我们想要比较自定义类型时，只要自定义类型写了运算符重载小于号和大于号，那就适用于给优先级队列，否则就会报错

还有一种情况：优先级队列存的是某个类的地址，但是需要比较指针指向值的优先级。那这个时候就不能用中的less和greater控制建堆，需要自己写仿函数。（仿函数也可以加上模板特化）