Stack和Queue

一、Stack的介绍和使用

1.1、Stack的介绍

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。

 下面是Stack的官方文档介绍，里面的介绍更为详细，但都是英文版

cplusplus.com/reference/stack/stack/?kw=stack

1.2、Stack的使用

使用Stack时需要包含以下头文件

#include

Stack的定义：

stack<数据类型> 容器名

//stack的定义 
stacks1; //定义一个储存数据类型为int的stack容器s1 
stacks2; //定义一个储存数据类型为double的stack容器s2
stacks3; //定义一个储存数据类型为string的stack容器s3
stack<结构体类型>s4; //定义一个储存数据类型为结构体类型的stack容器s4
stack s5[N]; //定义一个储存数据类型为int的stack容器数组,N为大小 
stack s6[N]; //定义一个储存数据类型为int的stack容器数组,N为大小 

Stack的相关函数：

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

代码演示：

#include
#include
using namespace std;
int main()
{
	stack s; //定义一个数据类型为int的stack 
	s.push(1); //向堆栈中压入元素1 
	s.push(2); //向堆栈中压入元素2
	s.push(3); //向堆栈中压入元素3
	s.push(4); //向堆栈中压入元素4
	cout<<"将元素1、2、3、4一一压入堆栈中后，堆栈中现在的元素为：1、2、3、4"<

运行结果：

stack的遍历：

堆栈中的数据是不允许随机访问的，也就是说不能通过下标访问，且堆栈内的元素是无法遍历的。

但是我们可以每次POP出栈顶元素，达到遍历的效果

#include
#include
using namespace std;
int main()
{
	stack s; //定义一个数据类型为int的stack 
	s.push(1); //向堆栈中压入元素1 
	s.push(2); //向堆栈中压入元素2
	s.push(3); //向堆栈中压入元素3
	s.push(4); //向堆栈中压入元素4
	while(!s.empty())
	{
		cout<

1.3、Stack相关经典OJ题

155. 最小栈 - 力扣（LeetCode）

栈的压入、弹出序列_牛客题霸_牛客网 (nowcoder.com)

150. 逆波兰表达式求值 - 力扣（LeetCode）

232. 用栈实现队列 - 力扣（LeetCode）

二、Queue的介绍和使用

2.1、Queue的介绍

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。
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。                                                                                                     

 下面是Queue的官方文档介绍，里面的介绍更为详细，但都是英文版

cplusplus.com/reference/queue/queue/

2.2、Queue的使用

使用queuq时需要包含以下头文件

#include

queue的定义：

queue<数据类型> 容器名

#include

queue q;

queue q;

queue > q;

queue q;

struct node{...};

queue相关函数

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

代码演示：

namespace LYL
{
	//template>
	template>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

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

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};

	void test_queue()
	{
		queue q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);

		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
		
	}
}

queue和stack是一样的，不可以随机访问，我们也可以pop出队列头的元素，达到遍历的效果

    void test_queue()
	{
		queue q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);

		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
		
	}

2.3、queue的相关经典OJ题

225. 用队列实现栈 - 力扣（LeetCode）

三、优先级队列

3.1、priority_queue的介绍

1. 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。
2. 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)。
3. 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。
4. 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

5. 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。
6. 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。

3.2、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
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

1. 默认情况下，priority_queue是大堆

#include 
#include 
#include  // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
    // 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
    vector v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
    priority_queue q1;
    for (auto& e : v)
        q1.push(e);
    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, greater> q2(v.begin(), v.end());
    cout << q2.top() << endl;
}

2. 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。
 

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;
};
void TestPriorityQueue()
{
// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
    priority_queue q1;
    q1.push(Date(2018, 10, 29));
    q1.push(Date(2018, 10, 28));
    q1.push(Date(2018, 10, 30));
    cout << q1.top() << endl;
// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
    priority_queue, greater> q2;
    q2.push(Date(2018, 10, 29));
    q2.push(Date(2018, 10, 28));
    q2.push(Date(2018, 10, 30));
    cout << q2.top() << endl;
}

3.3、priority_queue的相关OJ题

215. 数组中的第K个最大元素 - 力扣（LeetCode）

3.4、priority_queue的模拟实现

#include 
using namespace std;

#include 
// priority_queue--->堆
namespace LYL
{
	template
	struct less
	{
		bool operator()(const T& left, const T& right)
		{
			return left < right;
		}
	};

	template
	struct greater
	{
		bool operator()(const T& left, const T& right)
		{
			return left > right;
		}
	};

	template, class Compare = less>
	class priority_queue
	{
	public:
		// 创造空的优先级队列
		priority_queue() : c() {}

		template
		priority_queue(Iterator first, Iterator last)
			: c(first, last)
		{
			// 将c中的元素调整成堆的结构
			int count = c.size();
			int root = ((count - 2) >> 1);
			for (; root >= 0; root--)
				AdjustDown(root);
		}

		void push(const T& data)
		{
			c.push_back(data);
			AdjustUP(c.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			if (empty())
				return;

			swap(c.front(), c.back());
			c.pop_back();
			AdjustDown(0);
		}

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

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

		// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性
		const T& top()const
		{
			return c.front();
		}
	private:
		// 向上调整
		void AdjustUP(int child)
		{
			int parent = ((child - 1) >> 1);
			while (child)
			{
				if (Compare()(c[parent], c[child]))
				{
					swap(c[child], c[parent]);
					child = parent;
					parent = ((child - 1) >> 1);
				}
				else
				{
					return;
				}
			}
		}

		// 向下调整
		void AdjustDown(int parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < c.size())
			{
				// 找以parent为根的较大的孩子
				if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))
					child += 1;

				// 检测双亲是否满足情况
				if (Compare()(c[parent], c[child]))
				{
					swap(c[child], c[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
					return;
			}
		}
	private:
		Container c;
	};
}

void TestQueuePriority()
{
	LYL::priority_queue q1;
	q1.push(5);
	q1.push(1);
	q1.push(4);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	q1.push(6);
	cout << q1.top() << endl;

	q1.pop();
	q1.pop();
	cout << q1.top() << endl;

	vector v{ 5,1,4,2,3,6 };
	LYL::priority_queue, bite::greater> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;

	q2.pop();
	q2.pop();
	cout << q2.top() << endl;
}