C++:stack、queue、priority_queue增删查改模拟实现、deque底层原理

发布时间:2023年12月31日

前言

一、C++stack的介绍和使用

1.1 引言

我们先来看看
stack
的相关接口有哪些:
在这里插入图片描述
从栈的接口,我们可以知道栈的接口是一种特殊的vector,所以我们完全可以使用vector来模拟实现stack。

1.2 satck模拟实现

在这里插入图片描述

因此我们可以将底层容器定义成模板,然后将容器类变量作为成员变量进行封装。在实现satck的各种接口时,通过成员变量来调用底层容器的接口。(这就是容器适配器,将容器作为底层复用)

namespace achieveStack
{
	//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,
	template<class T, class Container = deque<T>>//底层容器可以是: vector、list、deque(后续会说明)
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			//调用容器_con的尾插
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			//调用容器_con的头删
			_con.pop_back();
		}

		const T& top()
		{
			//调用容器_con的接口back
			return _con.back();
		}

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

二、C++queue的介绍和使用

2.1 引言

同样,我们下来看看queue的接口究竟有哪些:
在这里插入图片描述

2.2 queue增删查改模拟实现

因为queue的接口中存在头删和尾插,因此使用vector来封装效率太低,故可以借助list来模拟实现queue。和stack一样,queue默认底层容器为deque(后续会介绍),此外还可以用list。
具体如下:
在这里插入图片描述

namespace achieveQueue
{
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)//尾插
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()//头删
		{
			_con.pop_front();
		}

		const T& front()//首元素
		{
			return _con.front();
		}

		const T& back()//尾元素
		{
			return _con.back();
		}

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

三、STL标准库中stack和queue的底层结构:deque

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和队列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,比如:
在这里插入图片描述

3.1 deque的简单介绍(了解)

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。
在这里插入图片描述

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:
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢?具体如下:
在这里插入图片描述

3.2 deque的缺陷

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: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。

3.3 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。

四、priority_queue的介绍和实现

4.1 priority_queue的介绍

和前面一样,我们先来看看priority_queue的接口。
priority_queue(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(如需修改为小堆,可以将传入的默认仿函数less改为greater)。
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4.1 priority_queue的介绍增删查改模拟实现

接下来如向下调整、向上调整等都是堆的知识,不懂的参考:【数据结构入门指南】二叉树顺序结构: 堆及实现(全程配图,非常经典)

前言

由于优先队列是一种容器适配器,所以我们可以使用模板将容器作为其成员变量,根据实际传入的容器生成实例化出具体版本。同时我们不仅要实现小堆还有大队,所以我们可以增加一个比较函数的模板参数,根据传入的函数来决定是大队还是小堆。
大致如下:

namespace achievePriority_queue//命名空间
{
	template<class T, class Container=vector<T>,class Compare = less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		priority_queue()//默认构造
		{}
	private:
		Compare com;
		Container _con;
	};
}

4.1.1 push()

【分析】:我们可以先尾插数据,由于priority_queue的数据是一个堆结构,还需要将数据调整到合适位置。而插入的数据影响的只是当前元素到祖先之间父子节点关系,所以我们可以采用向上调整算法。
【例子】:
在这里插入图片描述
【代码如下】:

//向上调整
void adjust_up(int child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (com(_con[parent], _con[child]))
		{
			swap(_con[parent], _con[child]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void push(const T& x)
{
	_con.push_back(x);//调用_con对于容器尾插接口
	adjust_up(_con.size() - 1);//向上调整
}

4.1.2 pop()

【分析】:删除元素,即删除堆顶元素。我们可以先将堆顶元素和堆尾元素交换,在将堆尾元素删除(这样可以防止大量挪动数据)。但交换后的元素还需要调整到合适位置,即采用向下调整算法。
【例子】:
在这里插入图片描述

【代码如下】:

void adjust_down(int parent)//向下调整算法
{
	int child = 2 * parent + 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 = 2 * parent + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void pop()
{
	swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);//堆顶和堆尾元素交换
	_con.pop_back();//调用_con对于容器的尾删接口
	adjust_down(0);//向下调整算法
}

4.3 top()、size()、empty()

这些接口比较简单就不一一介绍了,具体代码如下:

const T& top()
{
		return _con[0];
	}

	size_t size()
	{
		return _con.size();
	}

	bool empty()
	{
		return _con.empty();
	}

4.1 priority_queue(优先级队列)增删查改模拟实现

五、所有代码

gitee:C++:stack、queue、priority_queue增删查改模拟实现

文章来源:https://blog.csdn.net/Zhenyu_Coder/article/details/135264146
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