【C++庖丁解牛】stack的介绍和使用 | queue的介绍和使用 | priority_queue的介绍和使用

目录

• 1. stack的介绍和使用
• • 1.1 stack的介绍
  • 1.2 stack的存储结构
  • 1.3 stack的特点
  • 1.4. stack的使用
• 2. queue的介绍和使用
• • 2.1 queue的介绍
  • 2.2 queue的存储结构
  • 2.3 queue的特点
  • 2.4 queue的使用
• 3. priority_queue的介绍和使用
• • 3.1 priority_queue的介绍
  • 3.2 priority_queue的存储结构
  • 3.3 priority_queue的特点
  • 3.4 priority_queue的使用

1. 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。

1.2 stack的存储结构

stack（栈）是一种先进后出（First In Last Out）的数据结构，只有一个入口和出口，那就是栈顶，除了获取栈顶元素外，没有其他方法可以获取到内部的其他元素，其结构图如下：

stack这种单向开口的数据结构很容易由双向开口的deque和list形成，只需要根据stack的性质对应移除某些接口即可实现，stack的源码如下：

template <class T, class Sequence = deque<T> >
class stack
{
	...
protected:
    Sequence c;
public:
    bool empty(){return c.empty();}
    size_type size() const{return c.size();}
    reference top() const {return c.back();}
    const_reference top() const{return c.back();}
    void push(const value_type& x){c.push_back(x);}
    void pop(){c.pop_back();}
};

从stack的数据结构可以看出，其所有操作都是围绕Sequence完成，而Sequence默认是deque数据结构。stack这种“修改某种接口，形成另一种风貌”的行为，成为adapter(配接器)。常将其归类为container adapter而非container

stack除了默认使用deque作为其底层容器之外，也可以使用双向开口的list，只需要在初始化stack时，将list作为第二个参数即可。由于stack只能操作顶端的元素，因此其内部元素无法被访问，也不提供迭代器。

1.3 stack的特点

stack是一种常见的容器，它遵循后进先出（LIFO）的原则。以下是stack容器的特点：

1. 元素的插入和删除只能在容器的顶部进行，即只能在栈顶进行push和pop操作。
2. stack容器没有迭代器，因此不能通过迭代器访问容器中的元素。
3. stack容器的大小可以动态增长，不需要事先指定容器的大小。
4. 可以使用top()函数来获取栈顶元素的值，但不会删除该元素。
5. 可以使用empty()函数来判断栈是否为空。
6. 可以使用size()函数来获取栈中元素的个数。

1.4. stack的使用

下面是一个示例代码，演示了如何使用这些成员函数：

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

int main() {
    stack<int> myStack;

    // 使用push()添加元素到stack
    myStack.push(10);
    myStack.push(20);
    myStack.push(30);

    // 使用top()获取stack顶部的元素
    cout << "Top element: " << myStack.top() << endl;

    // 使用pop()删除stack顶部的元素
    myStack.pop();

    // 使用size()获取stack中元素的个数
    cout << "Size of stack: " << myStack.size() << endl;

    // 使用empty()检查stack是否为空
    if (myStack.empty()) {
        cout << "Stack is empty" << endl;
    } else {
        cout << "Stack is not empty" << endl;
    }

    return 0;
}

2. 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。

2.2 queue的存储结构

queue（队列）是一种先进先出（First In First Out）的数据结构，只有一个入口和一个出口，分别位于最底端和最顶端，出口元素外，没有其他方法可以获取到内部的其他元素，其结构图如下：

类似的，queue这种“先进先出”的数据结构很容易由双向开口的deque和list形成，只需要根据queue的性质对应移除某些接口即可实现，queue的源码如下：

template <class T, class Sequence = deque<T> >
class queue
{
	...
protected:
    Sequence c;
public:
    bool empty(){return c.empty();}
    size_type size() const{return c.size();}
    reference front() const {return c.front();}
    const_reference front() const{return c.front();}
    void push(const value_type& x){c.push_back(x);}
    void pop(){c.pop_front();}
};

从queue的数据结构可以看出，其所有操作都也都是是围绕Sequence完成，Sequence默认也是deque数据结构。queue也是一类container adapter。

同样，queue也可以使用list作为底层容器，不具有遍历功能，没有迭代器。

2.3 queue的特点

queue是一种常用的数据结构，它遵循先进先出（FIFO）的原则。具体来说，queue有以下几个特点：

1. 元素顺序：queue中的元素按照它们被添加的顺序进行存储和访问。最先添加的元素将首先被访问和移除，而最后添加的元素将最后被访问和移除。
2. 添加和移除：queue支持在队尾添加元素，并从队头移除元素。这意味着新元素将被添加到队列的末尾，而最早添加的元素将被移除。
3. 单向操作：queue只允许在队尾添加元素和在队头移除元素。不能在队列中间插入或删除元素。
4. 长度动态变化：queue的长度可以根据添加和移除操作的进行动态变化。当添加元素时，队列长度增加；当移除元素时，队列长度减少。
5. 应用场景：queue常用于需要按照先后顺序处理任务的场景，例如任务调度、消息传递等。它也可以用于实现广度优先搜索算法等。

2.4 queue的使用

下面是一个示例代码，演示了如何使用这些成员函数：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
    queue<int> myQueue;

    // 判断queue是否为空
    if (myQueue.empty()) {
        cout << "Queue is empty." << endl;
    }

    // 添加元素到queue
    myQueue.push(10);
    myQueue.push(20);
    myQueue.push(30);

    // 获取queue中元素的个数
    cout << "Size of queue: " << myQueue.size() << endl;

    // 访问queue中的第一个元素和最后一个元素
    cout << "Front element: " << myQueue.front() << endl;
    cout << "Back element: " << myQueue.back() << endl;

    // 删除queue中的第一个元素
    myQueue.pop();

    // 获取更新后的第一个元素
    cout << "Front element after pop: " << myQueue.front() << endl;

    return 0;
}

3. priority_queue的介绍和使用

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的存储结构

priority_queue，优先队列，是一个拥有权值观念的queue，它跟queue一样是顶部入口，底部出口，在插入元素时，元素并非按照插入次序排列，它会自动根据权值（通常是元素的实值）排列，权值最高，排在最前面，如下图所示：

默认情况下，priority_queue使用一个max-heap完成，底层容器使用的是一般为vector为底层容器，堆heap为处理规则来管理底层容器实现 。priority_queue的这种实现机制导致其不被归为容器，而是一种容器配接器。关键的源码如下：

template <class T, class Squence = vector<T>, 
class Compare = less<typename Sequence::value_tyoe> >
class priority_queue{
	...
protected:
    Sequence c; // 底层容器
    Compare comp; // 元素大小比较标准
public:
    bool empty() const {return c.empty();}
    size_type size() const {return c.size();}
    const_reference top() const {return c.front()}
    void push(const value_type& x)
    {
        c.push_heap(x);
        push_heap(c.begin(), c.end(),comp);
    }
    void pop()
    {
        pop_heap(c.begin(), c.end(),comp);
        c.pop_back();
    }
};

3.3 priority_queue的特点

priority_queue是C++标准库中的一个容器适配器，它提供了一种基于优先级的元素访问方式。priority_queue内部的元素按照一定的优先级进行排序，并且每次访问时都可以直接获取最高优先级的元素。

priority_queue的特点如下：

1. 自动排序：priority_queue内部使用堆数据结构来实现，它会自动根据元素的优先级进行排序。默认情况下，元素按照从大到小的顺序排列，也可以通过自定义比较函数来改变排序方式。
2. 高效访问：由于堆的特性，priority_queue可以在常数时间内访问到最高优先级的元素，即获取堆顶元素。
3. 插入和删除效率较低：由于每次插入和删除操作都需要维护堆的结构，所以插入和删除操作的时间复杂度为O(logN)，其中N为priority_queue中元素的个数。
4. 不支持随机访问：priority_queue并不支持像vector或deque那样通过下标直接访问元素，只能通过堆顶元素来获取最高优先级的元素。

3.4 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。

priority_queue的所有元素，进出都有一定的规则，只有queue顶端的元素（权值最高者），才有机会被外界取用，它没有遍历功能，也不提供迭代器

举个例子：

#include <queue>
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	int ia[9] = {0,4,1,2,3,6,5,8,7 };
	priority_queue<int> pq(ia, ia + 9);
	cout << pq.size() <<endl;  // 9
	for(int i = 0; i < pq.size(); i++)
	{
		cout << pq.top() << " "; // 8 8 8 8 8 8 8 8 8
	}
	cout << endl;
	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << ' ';// 8 7 6 5 4 3 2 1 0
		pq.pop();
	}
	return 0;
}

【注意】

1. 默认情况下，priority_queue是大堆

#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // 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<int> v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
	priority_queue<int> 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<int, vector<int>, greater<int>> 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<Date> 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<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2018, 10, 29));
	q2.push(Date(2018, 10, 28));
	q2.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q2.top() << endl;
}