【C++】第十三节—stack、queue、priority_queue、容器适配器(介绍和使用+模拟实现+OJ题)
hello，我是云边有个稻草人
C++-本节课所属专栏—持续更新中—欢迎订阅！
目录
一、stack的介绍和使用
1.1 stack介绍
1.2 stack的使用
1.3 stack代码题
【最小栈】
【栈的压入弹出序列】
【逆波兰表达式求值】
1.4 stack的模拟实现
二、queue的介绍和使用
2.1 queue - C++ Reference
2.2 queue的使用
2.3 queue的模拟实现
三、priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue - C++ Reference—文档介绍
3.2 priority_queue的使用
3.3 在OJ题中的应用
3.4 priority_queue的模拟实现
四、容器适配器
4.1 什么是适配器
4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
4.3 deque的简单介绍(了解)
【deque的原理介绍】
【deque的缺陷】
4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
正文开始——
一、stack的介绍和使用
1.1 stack介绍
stack - C++ Reference文档介绍
1.2 stack的使用
1.3 stack代码题
【最小栈】
155. 最小栈 - 力扣（LeetCode）
基本思路
代码
class MinStack {public: MinStack() {//不自己显示写构造函数，初始化列表会自动调用自定义类型成员变量的构造函数 } //_st正常插入数据，当_minst为空或者val<=栈顶元素时才插入数据 void push(int val) { _st.push(val); if(_minst.empty() || val <= _minst.top()) _minst.push(val); } //_st正常删除数据；当两个栈的栈顶数据相等时才删除_minst里面的数据 void pop() { if(_st.top() == _minst.top()) _minst.pop(); _st.pop(); } int top() { return _st.top(); } //直接返回_minst的栈顶元素即可 int getMin() { return _minst.top(); }private: stack _st; stack _minst;};/** * Your MinStack object will be instantiated and called as such: * MinStack* obj = new MinStack(); * obj->push(val); * obj->pop(); * int param_3 = obj->top(); * int param_4 = obj->getMin(); */【栈的压入弹出序列】
栈的压入、弹出序列_牛客题霸_牛客网
基本思路
代码
class Solution {public: /** * 代码中的类名、方法名、参数名已经指定，请勿修改，直接返回方法规定的值即可 * * * @param pushV int整型vector * @param popV int整型vector * @return bool布尔型 */ bool IsPopOrder(vector& pushV, vector& popV) { // write code here size_t pushi = 0,popi = 0; stack st; while(pushi < pushV.size()) { //1.首先将一个数据push进栈 st.push(pushV[pushi++]); //2.是否匹配 //2.1 匹配——栈顶数据和popi指向的数据相等并且栈不为空，出栈顶数据，popi++ while(!st.empty() && st.top() == popV[popi]) { st.pop(); popi++;//这里出数据可能会出现栈为空的情况，栈为空时就继续入栈 } //2.2 不匹配——继续将pushV数据入栈 } //当栈最后为空或者popi走到最后，指向最后一个数据的下一个位置时则为正常序列 // return st.empty(); return popi == popV.size(); }//栈出了作用域会自动调用析构函数};
【逆波兰表达式求值】
150. 逆波兰表达式求值 - 力扣（LeetCode）
基本原理
代码
class Solution {public: int evalRPN(vector& tokens) { stack st; for(auto& str : tokens) { //为操作符 if(str == \"+\" || str == \"-\" || str == \"*\" ||str == \"/\" ) { int right = st.top(); st.pop(); int left = st.top(); st.pop(); if(str == \"+\") { st.push(left+right); } else if(str == \"-\") { st.push(left-right); } else if(str == \"*\") { st.push(left*right); } else { st.push(left/right); } } //为操作数 else { st.push(stoi(str)); } } return st.top(); }};用switch case也OK的
232. 用栈实现队列 - 力扣（LeetCode）
1.4 stack的模拟实现
从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。用list也可以模拟实现stack，看你Container传的是什么容器，传的容器要支持需要的接口
#pragma once#include#include#include#includeusing namespace std;namespace lrq{template<class T, class Container = deque>//这里可以给一个缺省值class stack{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_back();}size_t size()const{return _con.size();}bool empty()const{return _con.empty();}const T& top()const{return _con.back();}private:Container _con;};}二、queue的介绍和使用
2.1 queue - C++ Reference
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。
2.2 queue的使用
2.3 queue的模拟实现
#pragma once//queue不可以使用vector作为底层来实现，根据队列的特性先进先出，但是vevtor不支持头删namespace lrq{template<class T,class Container = deque>class queue{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_front();}size_t size()const{return _con.size();}const T& front()const{return _con.front();}bool empty()const{return _con.empty();}private:Container _con;};}225. 用队列实现栈 - 力扣（LeetCode）
三、priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue - C++ Reference—文档介绍
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。
#include#include//priority_queue和queue共用一个头文件using namespace std;int main(){//默认是大的优先级高//priority_queue pq;//显示着传参数，这里涉及到仿函数，使用greater小的优先级高priority_queue<int, vector, greater> pq; pq.push(1);pq.push(10);pq.push(90);pq.push(4);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << \" \";pq.pop();}cout << endl;return 0;}3.3 在OJ题中的应用
215. 数组中的第K个最大元素 - 力扣（LeetCode）
使用优先级队列解决真是再适合不过了！
class Solution {public: int findKthLargest(vector& nums, int k) { //使用优先级队列,底层就是一个大堆 priority_queue pq(nums.begin(),nums.end()); //k--是出k次，也就是循环k次；--k是出k-1次，也就是进入循环k次 while(--k) { pq.pop(); } return pq.top(); }};3.4 priority_queue的模拟实现
通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对堆进行通用的封装即可。
数据结构关于二叉树的忘了真得复习了，不然下面看起来费劲
#pragma once#includenamespace bit{template struct less {bool operator() (const T& x, const T& y) const{ return x < y;}};template struct greater{bool operator() (const T& x, const T& y) const{return x > y;}};template<class T, class Container = vector, class Compare = less>class priority_queue{public:// 强制生成默认构造函数priority_queue() = default;template priority_queue(InputIterator first, InputIterator last):_con(first, last){// 建堆for (int i = (_con.size()-1-1)/2; i >= 0; i--){AdjustDown(i);}}void AdjustUp(int child){Compare com;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if (_con[parent] < _con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (parent - 1) / 2;}else{break;}}}void push(const T& x){_con.push_back(x);AdjustUp(_con.size() - 1);}void AdjustDown(int parent){Compare com;size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){// 假设法，选出左右孩子中小的那个孩子//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){++child;}//if (_con[parent] < _con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();AdjustDown(0);}bool empty(){return _con.empty();}const T& top(){return _con[0];}size_t size(){return _con.size();}private:Container _con;};}#include\"PriorityQueue.h\"//int main()//{////int a[] = { 1,4,2,5,6,3,2 };////bit::priority_queue pq1(a, a+sizeof(a)/sizeof(int));////// 默认是大的优先级高////bit::priority_queue pq;////// 小的优先级高priority_queue<int, vector, less> pq;//pq.push(3);//pq.push(2);//pq.push(1);//pq.push(4);////while (!pq.empty())//{//cout << pq.top() << \" \";//pq.pop();//}//cout << endl;////return 0;//}// 仿函数//template //struct Less //{//bool operator() (const T& x, const T& y) const//{ //return x < y;//}//};////template //struct Greater//{//bool operator() (const T& x, const T& y) const//{//return x > y;//}//};////int main()//{//Less lessFunc;//cout << lessFunc(1, 2) << endl;//cout << lessFunc.operator()(1, 2) << endl;//////return 0;//}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 (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);private:int _year;int _month;int _day;};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d){_cout << d._year << \"-\" << d._month << \"-\" << d._day;return _cout;}//struct DateLess//{//bool operator()(const Date* d1, const Date* d2)//{//return *d1 *d2;//}//};namespace bit{// 特化template struct less{bool operator() (Date* const& x, Date* const& y) const{return *x < *y;}};}
四、容器适配器
4.1 什么是适配器
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。
4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为 容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认 使用deque，比如：
4.3 deque的简单介绍(了解)
【deque的原理介绍】
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？
【deque的缺陷】
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。
4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性 结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据 结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如 list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：
- stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
- 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的 元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。 结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。
STL标准库中对于stack和queue的模拟实现见上面一开始介绍的stack和queue
下面是本节课对STL库里面实现的stack和queue进行测试以及对vector和deque排序效率的测试
#include\"stack.h\"#include\"queue.h\"#include#include#include#includeusing namespace std;//int main()//{//lrq::stack<int,vector> st;//st.push(1);//st.push(2);//st.push(3);//st.push(4);////while (!st.empty())//{//cout << st.top()<<\" \";//st.pop();//}//////自动调用析构函数////lrq::queue<int, list> qu;////lrq::queue<int, vector> qu;会报错//qu.push(1);//qu.push(1);//qu.push(1);//qu.push(1);////while (!qu.empty())//{//cout<<qu.front()<<\" \";//qu.pop();//}////return 0;//}////同样的排序，vector比deque要快void test_op1(){srand(time(0));const int N = 1000000;deque dq;vector v;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;v.push_back(e);dq.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();sort(dq.begin(), dq.end());int end2 = clock();printf(\"vector:%d\\n\", end1 - begin1);printf(\"deque:%d\\n\", end2 - begin2);}void test_op2(){srand(time(0));const int N = 1000000;deque dq1;deque dq2;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;dq1.push_back(e);dq2.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(dq1.begin(), dq1.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();// 拷贝到vectorvector v(dq2.begin(), dq2.end());sort(v.begin(), v.end());dq2.assign(v.begin(), v.end());int end2 = clock();printf(\"deque sort:%d\\n\", end1 - begin1);printf(\"deque copy vector sort, copy back deque:%d\\n\", end2 - begin2);}int main(){//test_op1();test_op2();return 0;}完——
（2025,7,2，挑战日更！敲代码思考枯燥，费脑子，啥时候能轻舟已过万重山呀。好饿，去吃拉面，博主不想当懒狗了）
剧终
比起剧终，更喜欢未完待续......
至此结束——
我是云边有个稻草人
期待与你的下一次相遇！
