C++STL之stack容器和优先级队列底层详解
一：stack容器
1.1：容器适配器
概念：容器适配器是用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元素，stack的底层容器可以是任意的类模板，或者一些其他的容器类，这些容器类应该支持以下功能：
empty：判空操作
back：获取栈顶（尾部）元素
push_back：尾部插入元素
pop_back：尾部删除元素
标准容器可以使用list和vector和deque来作为底层容器类模板，默认情况下不指定容器类模板，会使用deque（双端队列），但是由于deque效率不高，我们不用深刻研究。
从栈的接口中可以看出，栈就是一种特殊的vector，因此我们完全可以使用vector作为底层容器类模板。
1.2：vector实现stack
#include
namespace wjw
{
template
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()
{
return _c.size();
}
bool empty()
{
return _c.empty();
}
private:
std::vector _c;
};
} 二：queue队列
2.1：list作底层容器
queue也是一种容器适配器，不指定底层容器类模板，依然使用deque（双端队列），由于队列需要头插，vector的头删需要挪动数据，尾插需要异地扩容(reserve)，效率低，因此我们可以使用list作为底层容器类模板。
#include
namespace wjw1
{
template
class queue
{
public:
queue
{
}
void push(const T& x)
{
_c.push_back(x);
}
void pop()
{
_c.pop_front();
}
size_t size()
{
return _c.size();
}
const T& back()const
{
return _c.back();
}
T& back()
{
return _c.back();
}
T& front()
{
return _c.front();
}
const T& front()const
{
return _c.front;
}
bool empty()
{
return _c.empty();
}
private:
std::list _c;
};
}
三：priority_queue（优先级队列）
3.1：寻找第K大的元素(点击此处链接)
在C语言初阶数据结构，我们使用了二种思路。
1：构造大堆（父节点大于任意孩子节点），pop掉k-1个元素，就可以得到第k大的元素,该元素在堆顶。
2：构造小堆（父节点小于任意孩子节点），先把数组前k个元素push进去，因为构造的时候是左闭右开的区间，所以下标从k继续，遍历到=n结束，这样可以遍历剩下的n-k个元素，如果这n-k个元素有一个大于堆顶，就和堆顶交换，pop掉队尾，再向下调整。最后取堆顶元素。
3.2：底层实现
STL标准库给了3个模板参数，可以看到第二个是一个容器适配器，第三个等等再讲，是一个仿函数而且第二个和第三个参数都调用了默认构造函数。
less表示的是大堆。
3.2.1：push和pop
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
adjust_up(_con.size()-1);
}
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);//交换元素
_con.pop_back();
adjust_down(0);
}3.2.2：adjust_up和adjust_down
void adjust_up(size_t child)
{
size_t parent = (child - 1) / 2;
while (child>0)
{
if (_con[parent] < _con[child])
{
swap(_cont[parent], _con[child]);
child = parent;
parent = (child-1) / 2;
}
}
}
void adjust_down(size_t parent)
{
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
{
child++;
}
if (_con[parent] < _con[child])
{
swap(_con[parent], _con[child]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}因为我们使用的是大堆，所以在判断逻辑的时候是如果父亲小于孩子就交换，但是如果我们指定是小堆构造，那就要提供另外一份相反的逻辑，这样代码复用率比较低，不简洁，因此我们引入仿函数。
3.2.3：仿函数
仿函数其实就是行为类似于函数的一个对象，那为什么c语言中sort的排序算法我们用了cmp函数指针，这里不用呢，函数指针无法与STL其他组件搭配比如adapter，也不能满足STL中对抽象性的要求，抽象性也就是泛型。
template
class less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)const//const
{
return x < y;
}
};
template
class greater
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)const
{
return x > y;
}
}; 那我们就可以改变一下调整算法
void adjust_up(size_t child)
{
Compare cmp;
size_t parent = (child - 1) / 2;
while (child>0)
{
if (cmp(_con[parent],_con[child]))
{
swap(_cont[parent], _con[child]);
child = parent;
parent = (child-1) / 2;
}
}
}
void adjust_down(size_t parent)
{
Compare cmp;
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
if (child + 1 < _con.size() && cmp(_con[parent], _con[child]))
{
child++;
}
if (_con[parent] < _con[child])
{
swap(_con[parent], _con[child]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}3.2.4：构造函数
库里面提供迭代器构造，那就直接调用底层容器的迭代器构造即可。
提供默认构造，和显式的构造函数。
priority_queue()
{}
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
:_con(first,last)
{
//保证每一个左右子树都是堆，找到最后一个孩子节点的父亲，向下调整
for (size_t i = _con.size() - 1 - 1 / 2; i >= 0; --i)
{
adjust_down(i);
}
}3.2.5：剩余代码
const T& top()const
{
return _con[0];
}
bool empty()const
{
return _con.empty();
}
size_t size()const
{
return _con.size();
}3.2.6：总代码
namespace wjw3
{
template
class less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)const//const
{
return x < y;
}
};
template
class greater
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)const
{
return x > y;
}
};
template, class Compare = less>
class priority_queue
{
public:
priority_queue()
{}
template
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
:_con(first,last)
{
//保证每一个左右子树都是堆，找到最后一个孩子节点的父亲，向下调整
for (size_t i = _con.size() - 1 - 1 / 2; i >= 0; --i)
{
adjust_down(i);
}
}
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
adjust_up(_con.size()-1);
}
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);//交换元素
_con.pop_back();
adjust_down(0);
}
void adjust_up(size_t child)
{
Compare cmp;
size_t parent = (child - 1) / 2;
while (child>0)
{
if (cmp(_con[parent],_con[child]))
{
swap(_cont[parent], _con[child]);
child = parent;
parent = (child-1) / 2;
}
}
}
void adjust_down(size_t parent)
{
Compare cmp;
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
if (child + 1 < _con.size() && cmp(_con[parent], _con[child]))
{
child++;
}
if (_con[parent] < _con[child])
{
swap(_con[parent], _con[child]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
const T& top()const
{
return _con[0];
}
bool empty()const
{
return _con.empty();
}
size_t size()const
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
} 四：反向迭代器
前面list的迭代器我们采用类模板封装的模式，这里我们的反向迭代器可以复用正向迭代器的代码，因此可以单独把反向迭代器写入一个头文件。
template
class reverse_iterator
{
typedef reverse_iterator self;
public:
reverse_iterator(Iterator it)
:it(it)
{}
Ref operator*()
{
Iterator temp = it;
return *(--temp);
}
Ptr operator->()
{
return &(operator*());
}
self& operator++()
{
--it;
return *this;
}
self& operator--()
{
++it;
return *this;
}
bool opeartor != (const Self& s)const
{
return it != s.it;
}
private:
Iterator it;
}; 注意->的重载，在list中我们重载->的代码如下
Ptr operator->()
{
return &pnode->_data;
}因为要用迭代器->数据，所以必须重载->让迭代器指向的是结构体对象data的地址，也就是这个结构体指针。
这里反向迭代器我们直接用解引用的重载再取地址，就等于拿到了这个对象的地址。
而对于*的重载，需要用--temp，是因为在正向迭代器构造对象的时候，我们的区间是左闭右开，因此反向迭代器需要反向对称，因为构造反向迭代器我们用的是end和begin迭代器，end指向末尾元素的下一个位置，所以把这个作为开头，那么迭代到begin后面一个位置结束，这样就拿不到第一个元素了，因此必须使用--。