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第十讲：stack、queue、priority_queue以及deque

news 2025/7/25 7:32:34

目录

1、stack

1.1、stack的使用

1.2、stack的OJ题

1.2.1、最小栈

1.2.2、栈的压入弹出序列

1.2.3、逆波兰表达式求值

1.3、stack的模拟实现

2、queue

2.1、queue的使用

2.2、queue的OJ题

2.2.1、二叉树的层序遍历

2.3、queue的模拟实现

3、priority_queue

3.1、priority_queue的使用

3.2、priority_queue的OJ题

3.2.1、数组中第k大的元素

3.3、仿函数

3.3.1、仿函数的概念

3.3.2、less以及greater模拟实现

3.4、priority_queue的模拟实现

4、deque

4.1、deque的结构

4.2、deque的使用

4.2.1、构造及赋值重载

4.2.2、迭代器

4.2.3、容量

4.2.4、访问

4.2.5、修改

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。

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queue以及priority_queue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作为容器，priority_queue默认以vector作为容器。

1、stack

template <class T, class Container = deque<T> > class stack;

stack的文档介绍

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。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。其结构如图所示：

stack的底层容器应该支持以下操作：

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。

size：获取有效元素的个数。

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。

1.1、stack的使用

bool empty() const;size_type size() const;reference top();
const_reference top() const;void push (const value_type& val);void pop();

例如：

int main()
{   stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(4);st.push(5);while (!st.empty()){cout << st.top() << ' ';st.pop();}cout << endl;return 0;
}

1.2、stack的OJ题

1.2.1、最小栈

最小栈

参考：

1.2.2、栈的压入弹出序列

栈的压入弹出序列

参考：

1.2.3、逆波兰表达式求值

逆波兰表达式求值

 参考：

1.3、stack的模拟实现

template<class T,class Container=deque<T>>
class stack
{
public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_back();}const T& top(){return _con.back();}bool empty(){return _con.empty();}size_t size(){return _con.size();}private:Container _con;
};

2、queue

template < class T, class Alloc = allocator<T> > class deque;

queue的文档介绍

队列是一种容器适配器，专门用于先进先出的操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素。 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，元素从队尾入队列，从队头出队列。结构如图所示：

该底层容器应至少支持以下操作：

empty：队列是否为空

size：有效元素的个数

front：返回队头元素

back：返回队尾元素

push_back：在队列尾部入队列

pop_front：在队列头部出队列

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。

2.1、queue的使用

bool empty() const;size_type size() const;value_type& front();
const value_type& front() const;value_type& back();
const value_type& back() const;void push (const value_type& val);void pop();

例如：

int main()
{   queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);q.push(5);while (!q.empty()){cout << q.front() << ' ';q.pop();}cout << endl;return 0;
}

2.2、queue的OJ题

2.2.1、二叉树的层序遍历

二叉树的层序遍历

参考：

2.3、queue的模拟实现

template<class T, class Container = deque<T>>
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();}bool empty(){return _con.empty();}size_t size(){return _con.size();}
private:Container _con;
};

3、priority_queue

template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<typename Container::value_type> > 
class priority_queue;

priority_queue文档介绍

优先队列是一种容器适配器，逻辑结构就是堆。 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，提供一组特定的成员函数来访问其元素。需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。

容器应该可以通过随机访问迭代器进行访问，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

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。

3.1、priority_queue的使用

bool empty() const;size_type size() const;const value_type& top() const;void push (const value_type& val);void pop();

例如：

int main()
{   priority_queue<int> q;q.push(3);q.push(1);q.push(5);q.push(4);while (!q.empty()){cout << q.top() << ' ';q.pop();}cout << endl;return 0;
}

默认是大堆，如果想要小堆，可以像下面这样写：

int main()
{   priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q;q.push(3);q.push(1);q.push(5);q.push(4);while (!q.empty()){cout << q.top() << ' ';q.pop();}cout << endl;return 0;
}

注意：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。例如：

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 PDateCompare
{bool operator()(Date* p1, Date* p2){return *p1 > *p2;}
};int main()
{priority_queue<Date> q1;q1.push(Date(2018, 10, 29));q1.push(Date(2018, 10, 28));q1.push(Date(2018, 10, 30));cout << q1.top() << endl;priority_queue<Date*, vector<Date*>, PDateCompare> q2;q2.push(new Date(2018, 10, 29));q2.push(new Date(2018, 10, 28));q2.push(new Date(2018, 10, 30));cout << *q2.top() << endl;return 0;
}

3.2、priority_queue的OJ题

3.2.1、数组中第k大的元素

数组中第k大的元素

参考：

3.3、仿函数

3.3.1、仿函数的概念

在C++中，仿函数是指一个可以像函数一样被调用的对象。通常通过定义一个类，并在该类中重载函数调用运算符 operator() 来实现。比如：在functional中的less和greater用来比较大小

template <class T> struct less;template <class T> struct greater;

例如：

int main()
{   less<int> ls;cout << ls(2, 3) << endl;greater<int> gt;cout << gt(2, 3) << endl;return 0;
}
3.3.2、less以及greater模拟实现
//仿函数
template<class T>//仿函数的存在是为了替代函数指针。
class Less
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}
};template<class T>
class Greater
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}
};

3.4、priority_queue的模拟实现

template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = Less<T>>
class Priority_queue
{
public:Priority_queue(){}template<class InputIterator>          //构造函数Priority_queue(InputIterator first, InputIterator last):_con(first,last){//建堆for (int i = (_con.size() - 2) / 2; i >= 0; --i){adjust_down(i);}}void adjust_up(int child){Compare com;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if(com(_con[parent],_con[child]))//if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (parent - 1) / 2;}elsebreak;}}void adjust_down(int parent){Compare com;size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size())//vector的size()的返回值都是size_t。{if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child+1]))//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child+1]){++child;}if (com(_con[parent],_con[child]))//if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}elsebreak;}}void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size() - 1);}void pop(){swap(_con[0], _con.size() - 1);_con.pop_back();adjust_down(0);}const T& top(){return _con[0];}bool empty(){return _con.empty();}size_t size(){return _con.size();}private:Container _con;
};

4、deque

template < class T, class Alloc = allocator<T> > 
class deque;

deque又称为双端队列（是容器）：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。

连续物理空间，优点：极致高效的下标随机访问；缺点：扩容以及中间或者头部插入删除效率低（因为要挪动数据），比如以vector为代表。非连续物理空间，优点：任意位置的插入删除效率高，按需申请释放；缺点：不支持下标随机访问，比如以list为代表。

4.1、deque的结构

Deque是由一段段的定长的连续空间构成以及中控器构成，Deque的最大的工作就是维护这些分段连续的内存空间的整体性的假象，而维持这种假象的就是中控器，中控器的本质就是指针数组，其中每个元素都是一个指针，指向一段定长的连续的空间（本质也是数组），称为缓冲区，缓冲区才是deque的存储空间的主体。如下图所示：

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，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，deque的迭代器设计的就比较复杂，如下图所示：

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有一个致命缺陷就是不适合遍历，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，而在有些场景中，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。

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，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。

4.2、deque的使用

4.2.1、构造及赋值重载
explicit deque (const allocator_type& alloc = allocator_type());explicit deque (size_type n, const value_type& val = value_type(),const allocator_type& alloc = allocator_type());template <class InputIterator>
deque (InputIterator first, InputIterator last,const allocator_type& alloc = allocator_type());deque (const deque& x);deque& operator= (const deque& x);
4.2.2、迭代器
iterator begin();
iterator end();const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;reverse_iterator rbegin();
reverse_iterator rend();const_reverse_iterator rbegin() const;
const_reverse_iterator rend() const;

例如： 

int main()
{   deque<int> dq1;deque<int> dq2(5, 3);deque<int> dq3(dq2.begin(), dq2.end());deque<int> dq4(dq3);dq1 = dq4;deque<int>::iterator it1 = dq1.begin();while (it1 != dq1.end()){cout << *it1 << ' ';++it1;}cout << endl;return 0;
}
4.2.3、容量
size_type size() const;void resize (size_type n, value_type val = value_type());bool empty() const;
4.2.4、访问
reference operator[] (size_type n);
const_reference operator[] (size_type n) const;reference front();
const_reference front() const;reference back();
const_reference back() const;

例如： 

int main()
{   deque<int> dq(5, 2);cout << dq.size() << endl;cout << dq.empty() << endl;dq.resize(10, 3);cout << dq.size() << endl;for (auto e : dq){cout << e << ' ';}cout << endl;cout << --dq.front() << endl;cout << ++dq.back() << endl;for (int i = 0; i < dq.size(); ++i){cout << dq[i] << ' ';}cout << endl;deque<int>::reverse_iterator it = dq.rbegin();while (it != dq.rend()){cout << *it << ' ';++it;}cout << endl;return 0;
}
4.2.5、修改
void push_back (const value_type& val);void push_front (const value_type& val);void pop_back();void pop_front();iterator insert (iterator position, const value_type& val);iterator erase (iterator position);void swap (deque& x);void clear();

例如：

int main()
{   deque<int> dq;dq.push_back(1);dq.push_back(2);dq.push_back(3);dq.push_back(4);dq.push_back(5);dq.erase(dq.begin() + 2);dq.insert(dq.end(), 9);for (auto e : dq){cout << e << ' ';}cout << endl;deque<int> dq2;dq2.swap(dq);for (auto e : dq2){cout << e << ' ';}cout << endl;dq2.clear();cout << dq.size() << endl;cout << dq2.size() << endl;return 0;
}

http://www.lryc.cn/news/596927.html

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