c++--stack，queue，priority

前言

对于栈和队列我们是不陌生的，在数据结构阶段已经学习过，记得当时我们还是用c语言将它一步一步造出来，因为压栈与出栈正好满足数组的尾插与头删，数组的代价是及小的。对于队列是头出队列，尾插。所以就栈的实现就用的数组，队列实现就用链表。在c++中呢，vector和list就完美解决。priority_queue叫优先级队列，实质就是大小堆，堆的实现就是数组。

在很多时候stack，queue，priority_queue他们都叫做适配器，这里简单的提一下，它们就好比是农夫山泉，不生产水，是大自然的搬运工。也就意味着它“不生产代码,只是代码的搬运工”。下面我们通过底层代码的实现，就能看出这一特性。

前言

一、stack-栈

1.1 stack的使用

1.2stack的模拟实现

二、queue-队列

2.1queue的使用

2.2queue的模拟实现

2.3容器适配器

三、deque

3.2deque的原理介绍

3.3deque--插入

3.4deque的接口

四、priority_queue-优先级队列

4.1priority_queue的使用

4.2模拟实现

编辑

五、仿函数/函数对象

5.1仿函数的实现

5.2仿函数的使用

5.2仿函数的用法（进阶版）

一、stack-栈

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。

1.1 stack的使用

下面这些接口的使用我相信大家已经是游刃有余了，这里就不用过多演示，若不熟悉查文档即可。

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

void test_stack()
{stack<int> s;s.push(1);s.push(2);s.push(3);s.push(4);while (!s.empty()){cout << s.top() << " ";s.pop();}}

1.2stack的模拟实现

对stack的实现，现在只关注它的实现全是调用。关于deque，Container下面我们就会进行探究。

#pragma once
#include<vector>
#include <list>namespace qhx
{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;};
}

二、queue-队列

队列也是一种容器适配器，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。

2.1queue的使用

队列的接口其实与栈的接口基本一样，而且使用方法也是一样。

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()	返回队头元素的引用
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

void test_queue()
{queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);while (!q.empty()){cout << q.front() << " ";q.pop();}cout << endl;
}

2.2queue的模拟实现

#pragma once
#include<vector>
#include <list>namespace qhx
{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;};
}

queue的模拟实现也是非常简单的，都是复用其他人代码。栈和队列的实现中，我们发现都有class Container = deque<T>。

在queue和stack中都有这样一段话。

Queue：

queues are a type of container adaptor, specifically designed to operate in a FIFO context (first-in first-out), where elements are inserted into one end of the container and extracted from the other.
翻译：

队列是一种容器适配器，专门设计用于在 FIFO 上下文（先进先出）中运行，其中元素插入容器的一端并从另一端提取。

Stacks：

Stacks are a type of container adaptor, specifically designed to operate in a LIFO context (last-in first-out), where elements are inserted and extracted only from one end of the container.

翻译：

堆栈是一种容器适配器，专门设计用于在后进先出（后进先出）环境中操作，其中元素仅从容器的一端插入和提取。

class Container = deque<T>在这里就是容器适配器。

2.3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。

设计模式的使用将提高软件系统的开发效率和软件质量，节省开发成本。有助于初学者深入理解面向对象思想，设计模式使设计方案更加灵活，方便后期维护修改。

在stack，queue中 deque<T>接口转换到Container中。deque是什么呢？我们不是说stack可以用vector，queue用list吗，怎么这里用的deque。

三、deque

在容器适配器为什么会选择deque，那么就必须得从vector，list的优缺点说起

3.1vector，list的优缺点

vector：

stack可以随机访问，但是头部中部插入删除效率低，并且还需要扩容

list：

虽然queue在任何地方插入删除效率高，但是不支持随机访问，CPU高速缓存命中率低

对于deque就完美兼容vector，list的优点。所以对于接口选择就是deque。

3.2deque的原理介绍

deque文档

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。

这个是deque一段的buffer数组，所以deque并不是真正连续的空间，它是由一段一段这样的buffer数组链接而成，一段一段的buffer数组被放在中控，这个中控就是一个指针数组，实际上deque类似于一个动态的二维数组，如图：

这里的缓冲区就是buffer数组，用于存放数据。map就是中控器，就是存放指针。当map空间不够后，会再开辟一个中控-map。

3.3deque--插入

插入操作--头插

插入操作--尾插

查找：即相当于二维数组一样，先找map中的地址（第一层），然后在找buffer（第二层）

缺点：

那么我们发现它下标访问有一定的消耗，没有vector快。当我们中间插入时候，它的中间插入的时候需要挪动数据，与list相比也是有消耗的。

deque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。

我们通过发现deque其实是没有想象中那样完美的，它与vector和list相比是不够极致的。vector是吕布，list是诸葛亮，那么deque就是魏延。所以更多的时候我们更需要极致。

deque的底层实现是比较复杂的，不仅仅是上诉简单两句的问题。

根据上图，对于deque的维护是通过两个迭代器，start和finsh。因为daque是作为stack和queue的底层默认容器，一般来说deque是不需要进行中间插入的，那么start和finsh就很好的处理头插和尾插。它通过frist和last指向头尾，头插通过start的frist，如果满了node链接map新开辟buffer的指针位置。尾插通过finish的last控制。如果top()和back(),即通过start的cur和finish的cur控制。、

3.4deque的接口

deque文档的接口

通过stack，queue的接口与deque的接口对比，发现直接调用deque是非常适合充当stack，queue的默认容器。stack，queue就是直接调用deque的接口。

四、priority_queue-优先级队列

优先队列是一种容器适配器，而它实质就是堆。是否还记得堆是完全二叉树中用数组实现的，因为数组正好满足堆下标随机存取的需求，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。相对deque，vector更加极致。priority_queue是默认大根堆。

4.1priority_queue的使用

priority_queue的使用来说也是比较简单的，接口也比较少。

函数声明	接口说明
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

对于priority_queue的头文件，我们通过手册发现，priority_queue与queue都是一个头文件。

接口演示：

//默认大根堆
void test()
{priority_queue<int> p;p.push(7);p.push(1);p.push(9);p.push(2);p.push(3);p.push(4);while (!p.empty()){cout << p.top() << " ";p.pop();}
}

结果：9 7 4 3 2 1

小根堆 --greater

void test()
{priority_queue<int, vector<int>, greater<int> > p;p.push(7);p.push(1);p.push(9);p.push(2);p.push(3);p.push(4);while (!p.empty()){cout << p.top() << " ";p.pop();}
}

结果：1 2 3 4 7 9

4.2模拟实现

#pragma oncenamespace qhx
{template <class T,class Container = vector<int>>class priority_queue{public:template<class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last):_con(first,last){//建堆-推荐向下调整建堆，时间复杂度更小for (size_t i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)//{adjust_down(i);}}void adjust_up(size_t child){size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_con[parent] < con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size() - 1);}void adjust_down(size_t parent){size_t michild = parent * 2 + 1;while (michild < _con.size()){if (michild< _con.size() && _con[michild]>_con[michild + 1]){michild++;}if ( _con[michild]>] < _con[parent]){swap(_con[michild], _con[parent]);parent = michild;michild = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void pop(){swap(_con[0], _con(_con.size(-1)));_con.pop_back();adjust_down(0);}const T&top()const{return _con[0];}const empty()const{return _con.empty();}size_t size()const{return _con.size();}private:Container _con;};};

如果对向上/向下调整忘记了的，就可以看下面图片回忆。

向上调整

向下调整

五、仿函数/函数对象

仿函数(functor)，就是使一个类的使用看上去像一个函数。其实现就是类中实现一个operator()，这个类就有了类似函数的行为，就是一个仿函数类了。

5.1仿函数的实现

这里是实现的比较大小的仿函数

#include <iostream>
using namespace std;//仿函数/函数对象
namespace qhx
{template<class T>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;}};
};int main()
{qhx::less<int> lessFunc;if (lessFunc(3, 2))cout << "yes" << endl;elsecout << "no" << endl;return 0;
}

5.2仿函数的使用

冒泡排序

template <class T>void BubbleSort(T* a, int n)
{for (int i = 0; i < n; i++){int flag = 0;for (int j = 1; j < n - i; j++){if (a[j - 1] > a[j])swap(&a[j - 1], &a[j]);flag = 1;}if (flag == 0)break;}
}

在C语言时期，冒泡函数进行比较的时候，是需要进入冒泡函数内部改变">","<"。或者是通过函数指针的方式，在多增加一个函数参数。

方法一：

if (a[j - 1] > a[j]) //改变其大与小

对于封装的好的函数来说，这样对使用者是非常不友好的，那么就可以通过接口的方式，增加函数指针。

方法二：

void BubbleSort(T* a, int n，bool（*pcom）(int,int))

方法二的话，这个方法是比较搓的，使用的函数时需要传太多变量，阅读性也不够强。那么c++中函数模板就起到了重要的作用了。我们可以增加一个模板参数，再增加给函数的参数，通过类型的对象去比较，可以想函数一样去是使用。

template <class T,class compaer>
// 冒泡排序
void BubbleSort(T* a, int n,compaer com)
{for (int i = 0; i < n; i++){int flag = 0;for (int j = 1; j < n - i; j++){//if (a[j - 1] > a[j])if (com(a[j - 1] , a[j]))swap(a[j - 1], a[j]);flag = 1;}if (flag == 0)break;}
}void test_less()
{qhx::less<int> lessFunc;if (lessFunc(3, 2))cout << "yes" << endl;elsecout << "no" << endl;
}void test_BubbleSort()
{qhx::less<int> lessFunc;int arr[] = { 1, 2, 4, 9, 8, 3, 6, 7 };//BubbleSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]),lessFunc);BubbleSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), lessFunc);for (auto e : arr){cout << e << " ";}
}int main()
{test_BubbleSort();return 0;
}

运行结果：9 8 7 6 4 3 2 1

这里的less是根据优先级队列来定义的，这里是降序，greater就是升序。

注意：这里模板参数是类，函数调用类模板增加的代码内存时不多的。例如上述只增加1个字节。

5.2仿函数的用法（进阶版）

这里是比较Daet--自定义类型的大小。我们有Date类型比较大小的方式后，但是对于Date*的比较是没有的，故此，我们创建一个struct（类-默认公共类），然后通过函数模板的调用，实现了比较非自定义变量指针的大小。

#include <iostream>
#include <queue>
#include <functional>using namespace std;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;
};struct PDateLess
{bool operator()(const Date* d1, const Date* d2){return *d1 < *d2;}
};struct PDateGreater
{bool operator()(const Date* d1, const Date* d2){return *d1 > *d2;}
};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;// 大堆priority_queue<Date*, vector<Date*>, PDateLess> q3;q3.push(new Date(2018, 10, 29));q3.push(new Date(2018, 10, 28));q3.push(new Date(2018, 10, 30));cout << *q3.top() << endl;// 小堆priority_queue<Date*, vector<Date*>, PDateGreater> q4;q4.push(new Date(2018, 10, 29));q4.push(new Date(2018, 10, 28));q4.push(new Date(2018, 10, 30));cout << *q4.top() << endl;
}int main()
{TestPriorityQueue();return 0;
}