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【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)

news 2025/7/3 10:34:35

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
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
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<int> _st;stack<int> _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<int>& pushV, vector<int>& popV) {// write code heresize_t pushi = 0,popi = 0;stack<int> 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<string>& tokens) {stack<int> 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<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>using namespace std;namespace lrq
{template<class T, class Container = deque<T>>//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
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()返回对头元素的引用
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
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<T>>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。

函数声明接口声明
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
#include<iostream>
#include<queue>//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<int> pq;//显示着传参数，这里涉及到仿函数，使用greater<int>小的优先级高priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> 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<int>& nums, int k) {//使用优先级队列,底层就是一个大堆priority_queue<int> 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
#include<vector>namespace bit
{template <class T>struct less {bool operator() (const T& x, const T& y) const{ return x < y;}};template <class T>struct greater{bool operator() (const T& x, const T& y) const{return x > y;}};template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{public:// 强制生成默认构造函数priority_queue() = default;template <class InputIterator>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<int> pq1(a, a+sizeof(a)/sizeof(int));
//
//	// 默认是大的优先级高
//	//bit::priority_queue<int> pq;
//
//	// 小的优先级高priority_queue<int, vector<int>, less<int>> 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 <class T>
//struct Less 
//{
//	bool operator() (const T& x, const T& y) const
//	{ 
//		return x < y;
//	}
//};
//
//template <class T>
//struct Greater
//{
//	bool operator() (const T& x, const T& y) const
//	{
//		return x > y;
//	}
//};
//
//int main()
//{
//	Less<int> 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 < 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);
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;
//	}
//};//struct DateGreater
//{
//	bool operator()(const Date* d1, const Date* d2)
//	{
//		return *d1 > *d2;
//	}
//};namespace bit
{// 特化template <>struct less<Date*>{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：

  1. 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。
  2. 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<vector>
#include<deque>
#include<iostream>
#include<algorithm>using namespace std;//int main()
//{
//	lrq::stack<int,vector<int>> 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<int>> qu;
//	//lrq::queue<int, vector<int>> 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<int> dq;vector<int> 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<int> dq1;deque<int> 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<int> 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！

http://www.lryc.cn/news/579035.html

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