C++中的deque、stack、queue及priority_queue

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C++中的deque、stack、queue及priority_queue
- 一、deque
- 二、stack
- 三、queue
- 四、priority_queue
- 五、相关注意事项

一、deque

1 . deque的介绍

deque(发音类似“deck”)，是双端队列不规则的首字母缩写，双端队列是动态大小的序列式容器，其可以像两端进行伸缩。
特定的库可以以不同的方式实现deque，但通常都是一种动态数组。
不论在何种情况下，它都允许通过随机访问迭代器直接访问单个元素，可以根据需要动态的伸缩。
因此，deque提供了一些与vector相似的功能，但deque在头部和尾部进行数据插入和删除操作更加高效。
与vector不同的是，deque不能保证所有的元素存储在连续的空间中，在deque中通过指针加偏移量方式访问元素可能会导致非法的操作。
vector与list提供了相似的接口，因此其具有类似的用途，但是内部的实现原理不同：vector使用使用了动态数组，该数组通常需要动态增长；deque中的元素可能分散在不同的存储块中
在deque中保存了一些必要的信息，通常用来在常数范围内直接访问deque中的任何一个元素，所以deque的内部实现比vector复杂，但是这些额外信息使得dque在某些情况下增长更加的高效，特别是在序列比较大，重新分配成本比较高的情况下。
除了在频繁在头部或尾部进行插入和删除操作外，deque比list和forward_list的性能更差

2 deque底层的原理图

3 .deque的应用场景
deque在序列式容器中比较鸡肋，因为如果只是简单的存储元素，使用vector即可
如果对元素任意位置进行插入或者删除操作比较多，使用list即可
所以一般很少去使用deque。deque最大的应用，就是用其作为标准库中stack和queue的底层结构

二、stack

1.stack的介绍

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，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。
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

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。

2.stack的模拟实现

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

三、queue

1.queue的介绍

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。
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。
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

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.queue的模拟实现

#include<deque>namespace wolf
{template<class T, class Con = deque<T>>class queue{public:queue() {}void push(const T& x) {_c.push_back(x);}void pop() {_c.pop_front();}T& back() {return _c.back();}const T& back()const {return _c.back();}T& front() {return _c.front();}const T& front()const {return _c.front();}size_t size()const {return _c.size();}bool empty()const {return _c.empty();}private:Con _c;};
}

四、priority_queue

1.priority_queue的介绍

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。
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)。
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。
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

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。
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
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

处理内置类型的情况：

#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;
}

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;
}

有些情况下，用户可能需要提供比较器规则

class Less
{public:bool operator()(const Date* pLeft, const Date* pRight){return *pLeft < *pRight;}
};void TestPriorityQueue()
{// 自己定制比较的规则priority_queue<Date*, vector<Date*>, Less> q;q.push(&Date(2018, 10, 29));q.push(&Date(2018, 10, 28));q.push(&Date(2018, 10, 30));cout << *q.top() << endl;return 0;
}

priority_queue的模拟实现

namespace wolf
{template <class T, class Sequence = vector<T>, class Compare = less<T> >class priority_queue{public:priority_queue() : c(){}template <class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last): c(first, last){make_heap(c.begin(), c.end(), comp);}bool empty() const { return c.empty(); }size_t size() const { return c.size(); }T& top() const { return c.front(); }void push(const T& x){c.push_back(x);push_heap(c.begin(), c.end(), comp);}void pop(){pop_heap(c.begin(), c.end(), comp);c.pop_back();}private:                                                                                                                      Sequence c;Compare comp;};}

五、相关注意事项

1.为什么使用deque作为stack和queue的底层结构？
首先deque的优点是头部和尾部操作方便，效率可以达到O(1)，缺点是因为deque的底层空间是不连续的，之所以看起来是连续的都是迭代器的功劳
正是因为deque的空间不连续，所以对其遍历的效率极低，因为要判断寻找下一段空间的位置。
而stack和queue是作为容器适配器来使用的，其不需要遍历，只需要在两端进行操作即可，刚好避开deque的缺陷。
虽然其他容器也可以作为stack和queue的底层结构，但效率都没有deque高
2.什么是容器适配器？
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)，该中模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口
3.为什么将stack、queue和priority_queue称作为容器适配器？
虽然stack、queue、priority_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，这是因为每个容器在底层都有自己的实现方式，而stack、queue、priority_queue只是在底层将其他容器进行了封装

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