C++笔记---stack和queue

1. stack的介绍及重要接口

stack---栈，是一种“先进后出，后进先出”的数据结构。

此处的stack是STL库中定义的一个类模板，用于实例化出存储各种类型数据的栈。

bool empty() const;	判断栈是否为空(空true/非空false)
size_t size() const;	返回栈中的数据个数
T& top(); const T& top() const;	返回栈顶元素(目前最早进最后出的元素)的引用
void push(const T& val);	入栈(到栈顶)
void pop();	出栈(删除栈顶元素)
void swap(stack& x);	交换两个栈的内容

2. queue的介绍及重要接口

queue---队列，是一种“先进先出，后进后出”的数据结构。

此处的queue是STL库中定义的一个类模板，用于实例化出存储各种类型数据的队列。

bool empty() const;	判断队列是否为空(空true/非空false)
size_t size() const;	返回队列中的数据个数
T& front(); const T& front() const;	返回队头元素(目前最早进最先出的元素)
T& back(); const T& back() const;	返回队尾元素(目前最后进最后出的元素)
void push(const T& val);	入队列(到队尾)
void pop();	出队列(删除队头元素)
void swap(queue& x);	交换两个队列的内容

3. stack和queue的模拟实现

3.1 适配器模式

在STL标准库中，stack和queue并没有被划分为容器，而是被定义为容器适配器。

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。

如果有数据结构的知识基础就能知道，stack和queue的底层就是顺序表，是数据访问受到限制的顺序表。

于是，我们可以对顺序表及其接口进行包装，进而实现stack和queue。

3.2 stack的模拟实现

namespace lbz
{template<class T, class container = deque<T>>class stack{public:stack(const container& ctnr = container()):_con(ctnr){}bool empty() const{return _con.empty();}size_t size() const{return _con.size();}T& top(){return _con.back();}const T& top() const{return _con.back();}void push(const T& val){_con.push_back(val);}void pop(){_con.pop_back();}void swap(stack& st){_con.swap(st._con);}private:container _con;};
}

3.3 queue的模拟实现

namespace lbz
{template<class T, class container = deque<T>>class queue{public:queue(const container& ctnr = container()):_con(ctnr){}bool empty() const{return _con.empty();}size_t size() const{return _con.size();}T& front(){return _con.front();}const T& front() const{return _con.front();}T& back(){return _con.back();}const T& back() const{return _con.back();}void push(const T& val){_con.push_back(val);}void pop(){_con.pop_front();}void swap(queue& st){_con.swap(st._con);}private:container _con;};
}

4. deque的简单介绍

一般来说，stack底层适合用vector，queue底层适合用list，但是在标准库中，二者都用deque作为底层容器的缺省参数。

vector和list由于自身的优缺点过于明显且对立，所以二者在实现时因为效率的原因，各自有一些对方没有的接口，这也使得他们分别与stack和list绑定。

而deque可以说是vector和list的缝合怪，因为二者的接口它都支持，所以可以同时作为stack和queue的底层容器，这也就意味着它是将二者优缺点折中的数据结构。

4.1 deque的结构

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。

然而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：

 其中，map是一个指针数组，存储各个存储数据的数组的地址。

初始的数组存放在map中部位置，当需要向前扩容时，就在将新申请的数组放到已有数组在map中的前一个位置；当需要向后扩容时就将新申请的数组放到map中已有数组的后一个位置。

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：

deque迭代器具体是如何运作的比较复杂，在此不作过多论述，简单了解即可。 

4.2 deque的优缺点

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，deque的优势是：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。

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。

4.3 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。

5. 优先级队列priority_queue

顾名思义，优先级队列就是让队中的数据按照优先级（大小顺序等）排队出队。

priority_queue的底层实际上就是堆，既可以依据大小来建大堆小堆，也可以根据自定义的逻辑来制定优先级。

函数指针在C++中并不推荐，这里我们要用到仿函数来传递我们的建堆逻辑。

5.1 仿函数

STL库中priority_queue的原型如下：

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

我们可以看到，模板的类型参数列表中有一个Compare类型，其缺省值为less<typename Container::value_type>。

这里的less是一个特殊的类(对应的有greater类)，它没有任何成员变量，但是对"()"进行了重载：

template <class T> struct less : binary_function <T,T,bool> {bool operator() (const T& x, const T& y) const {return x<y;}
};

于是，less类就可以这样来使用：

int main()
{int a = 10, b = 10;less<int> isLess;if(isLess(a, b))cout << "a < b" << endl;return 0;
}

这里，由less<int>类实例化出的对象isLess有了类似函数的用法，效果也与函数相同，这就是所谓的仿函数。

通过这样的仿函数，我们就可以将自定义的逻辑传入到类模板中去。

注意，传入"less"，建的是大堆；传入"greater"，建的是小堆。

5.2 priority_queue的常用接口

由于priority_queue实质上就是堆，所以下表中均以堆代指。

bool empty() const;	判断堆是否为空(空true/非空false)
size_t size() const;	返回堆中的数据个数
const T& top() const;	返回堆队头元素(堆顶元素)
void push(const T& val);	入堆
void pop();	出堆
void swap(priority_queue& x);	交换两个堆的内容

5.3 priority_queue的模拟实现

namespace lbz
{template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);AdjustUp(_con.size() - 1);}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();AdjustDown(0);}const T& top(){return _con[0];}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:void AdjustUp(size_t child){size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0 && _com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}}void AdjustDown(size_t parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && _com(_con[child], _con[child + 1]))child++;if (_com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}Container _con;Compare _com;};
}