【C++进阶(六)】STL大法--栈和队列深度剖析&优先级队列&适配器原理

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1. 前言

和C语言学习期间的学习顺序一样
顺序表,链表过了就是栈和队列
但是栈和队列非常特殊,它的内部结构
并不是靠自己实现的,而是一种适配器模式

本章重点:

本篇文章着重讲解适配器原理
和栈,队列的接口函数熟悉以及模拟实现
适配器里有一个特殊容器:deque
最后讲解优先级队列相关知识和实现

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2. 栈和队列的接口函数熟悉

栈的接口函数熟悉:

由于栈结构只能支持栈顶插入,栈顶pop
所以它的接口很少,这里就不多介绍了!

队列的接口函数熟悉:

队列只比栈多了一个接口:back
队列的front相当于栈的top

在了解了接口函数后,可以尝试做几个题巩固

1. 最小栈
2. 栈的压入,弹出序列
3. 逆波兰表达式求值
4. 用两个栈实现队列

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3. 适配器介绍

先看栈和队列的类模板:

我们发现第二个模板参数是:Container
并且它还有缺省值为 deque

这里就直接引出一个概念: 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。

一个比较经典的例子就是插头的适配器:

那么在数据结构栈中,这种适配器是什么呢?

很显然,在C语言阶段实现栈时,我们
使用的底层是顺序表来实现,也就是
把顺序表做了一层封装和限制,让它
的功能变得和栈一样,C++这里也是一样!

我们在实现栈时不用再去写一个顺序表
而是直接调用库中的vector!

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4. 栈和队列的模拟实现

栈的模拟实现要复用其他数据结构
所以在定义模板时要定义两个!

template<class T, class Container = deque<T>>
class Stack
{
	//......
private:
	Container _con;
}

我们和库中的缺省值保持一致,使用deque
这个容器我们后面会有所解释!

这样使用栈非常的方便!因为此时的栈
就像"富二代"一样,不用写构造和析构函数
因为默认生成的构造或析构会去调用
内嵌类型的构造或析构帮助我们完成任务!

在此之后,只需要实现一些接口函数即可!

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

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

T& top()//可读可写
{
	return _con.back();
}

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

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

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

注:函数中的push_back或back等
函数接口是调用适配器中的!如vector中的

栈的结构实现完成,队列就交给你们了!

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5. deque的简单介绍

deque也是一个STL库中的容器
先来看看它的介绍:

deque又被称为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

接下来看看它的接口函数:

deque既有头插头删也有尾插尾删
这是意料之中,它也支持方括号[]
其实对于deque的了解到这里就差不多了
下面的内容属于拓展了解,有兴趣的可以看看

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：

deque扩容是直接另外开辟一份空间
再让中控数组指向新开辟的空间
再将原先空间的内容拷贝至新空间

注意它有一个中控数组的概念!

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6. 优先级队列深度剖析

优先级队列的英文是: priority_queue
它也是一个容量适配器,文档的大致翻译:

优先级队列默认是大堆!

并且它的底层适配器默认是vector

优先级队列默认有三个类模板,然而第三个
模板就是决定此优先级队列是大堆还是小堆
它叫仿函数,我们先不管它,下一篇文章回讲解
我们需要了解的是,默认的less是大堆
我们显示传参greater时是小堆!

优先级队列的接口函数熟悉:

注:如果你想使用小堆,就要将前两个
模板参数实例化后才能实例化第三个
当less变成greater时,就是小堆

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7. 优先级队列的模拟实现

在学习仿函数之前,先实现无仿函数版本:

基本结构和框架:

template<class T, class Container = vector<T>>
class Priority_queue
{
public:
	//成员函数
private:
	Container _con;//此容器可能是vector可能是deque
};

由于优先级队列是"富二代",所以
构造,析构和拷贝构造都可以忽略不写

优先级队列的插入和删除操作:

由于优先级队列实际上就是个堆
所以在插入,删除之后.都需要做一件事
那就是向上调整或向下调整!所以插入和
删除的关键其实就在于向上/下调整!

向上调整:

void AdjustUp(int* a, int child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] > a[parent])
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

向下调整:

void AdjustDown(int* a, int n, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;
	while (child < n)
	{
		if (a[child+1] < a[child] && child + 1 < n)
		{
			child++;
		}
		if (a[child] < a[parent])
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

这两个操作在学习堆时就已经实现过了,老朋友了

详情可看: 堆以及topk问题

优先级队列的插入和删除

void push(const T& val)//堆的插入
{
	_con.push_back(val);
	adjust_up(_con.size() - 1);
}

void pop()//堆的删除
{
	std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
	_con.pop_back();
	adjust_down(0);
}

插入和删除可谓是和堆的做法一模一样
其他的函数接口也是如此,这里就不多解读
我把优先级队列模拟实现的所有代码分享出来:

优先级队列模拟实现全部代码

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8. 总结以及拓展

其实我们可以感受到,有了前面STL
容器的学习,现在学习栈和队列要轻松许多
不仅是模拟实现上可以复用以前的容器
连使用方法和函数接口都和之前一样
这就是C++STL的魅力所在!

拓展阅读:
对于deque我们还有很多未知的地方
比如它的扩容是怎样完成的?是否是缩容?
deque是如何支持随机访问的?deque的缺陷?

有兴趣的老铁可以阅读下面这篇文章:

deque深度剖析

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下期预告:模板进阶以及仿函数