C++中的常见数据结构 --- 队列、栈、列表

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前言

队列、栈、列表是其中三个最为基础和常用的数据结构，它们在编程的世界中被广泛应用，为算法和数据处理提供了不可或缺的支持。今天来简单的介绍一下!以及他们在C++中的简单用法!

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一、队列（Queue）

队列是一种常见的数据结构，它按照先进先出（FIFO）的原则管理元素。队列通常用于在程序中保存和处理一系列任务或数据。

• 入队（enqueue）： 将元素添加到队列的末尾。
• 出队（dequeue）： 从队列的前端移除元素。

队列的特点是新元素总是在队列的尾部添加，而移除元素总是从队列的头部进行。队列是一个有序的集合，先进入队列的元素会先被处理。

队列常常用于解决需要按顺序处理的问题，例如任务调度、广度优先搜索等。

C++标准库中 std::queue :

• push: 将元素添加到队列的末尾
• front: 访问队头元素
• pop: 移除队头元素
• empty: 检查队列是否为空

例子:

#include <iostream>
#include <queue>

int main() {
    // 创建一个队列
    std::queue<int> myQueue;
    // 入队操作
    myQueue.push(1);  
    myQueue.push(2);
    // 出队操作
    while (!myQueue.empty()) {
        std::cout << myQueue.front() << " "; // 访问队头元素
        myQueue.pop(); // 出队
    }
    return 0;
}

二、栈（Stack）

栈是一种基本的数据结构，具有后进先出（LIFO）的特性。这意味着最后进入栈的元素将首先被移除。栈通常有两个主要操作：压入（Push）和弹出（Pop）。

• 压入（Push）： 将元素添加到栈的顶部。
• 弹出（Pop）： 从栈的顶部移除元素。

栈常常用于解决解密回文,函数调用,深度优先搜索（DFS）,回溯算法,括号匹配,递归算法的非递归实现,迷宫求解,编辑器的撤销操作等等。

• 函数调用： 栈被用来存储函数调用的上下文信息，包括局部变量、返回地址等。函数调用时，局部变量等信息被压入栈，函数执行完成后再从栈中弹出
• 深度优先搜索（DFS）： 在图的深度优先搜索算法中，栈可以用于追踪遍历路径。每次访问一个节点时，将其邻接节点压入栈，然后从栈中弹出下一个节点进行继续深度搜索
• 回溯算法： 回溯算法通常使用栈来保存当前的状态，并在需要时回退到之前的状态，以搜索所有可能的解空间
  括号匹配： 栈可以用于检查表达式中的括号是否匹配，以及判断表达式的有效性
  递归算法的非递归实现： 栈可以用于模拟递归算法的工作方式，将递归调用转化为循环结构
• 迷宫求解： 在迷宫求解问题中，栈可以用于保存当前路径，如果当前路径无法到达目标点，则回退到上一个路径
• 编辑器的撤销操作： 栈可以用于实现编辑器中的撤销和重做操作，存储用户操作的历史记录

C++标准库中 std::stack:

• push: 将元素压入栈顶
• pop: 弹出栈顶元素
• top()： 访问栈顶元素，但不弹出
• empty()： 检查栈是否为空
• size()： 返回栈中元素的数量

#include <iostream>
#include <stack>

int main() {
    std::stack<int> myStack;
    // 压入元素
    myStack.push(1);
    myStack.push(2);
    // 弹出元素
    while (!myStack.empty()) {
        std::cout << myStack.top() << " "; // 访问栈顶元素
        myStack.pop(); // 弹出栈顶元素
    }
    return 0;
}

三、列表（List）

列表是一种有序、可变的数据结构，用于存储一系列的元素。列表是一种非常灵活和常用的数据类型，它可以包含不同数据类型的元素，甚至可以包含其他列表。

C++标准库中 std::list:

• push_back(): 在列表末尾插入元素
• push_front(): 在列表开头插入元素
• insert(): 在指定位置插入元素
• remove(): 删除指定值的元素
• pop_back(): 弹出并删除最后一个元素
• front(): 访问第一个元素
• back(): 访问最后一个元素
• size(): 获取列表大小
• clear(): 清空列表
• empty(): 判断列表是否为空
• for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it): 使用迭代器遍历列表

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    // 创建一个空列表
    std::list<int> myList;
    // 在列表末尾插入元素
    myList.push_back(1);
    myList.push_back(2);
    myList.push_back(3);
    // 在列表开头插入元素
    myList.push_front(0);
    std::cout << "List elements: ";// 使用迭代器遍历列表并打印元素
    for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    // 在指定位置插入元素
    auto insertPos = std::next(myList.begin(), 2);
    myList.insert(insertPos, 99);  
    myList.remove(2);// 删除指定值的元素    
    myList.pop_front();// 弹出并删除第一个元素
    myList.pop_back();// 弹出并删除最后一个元素
    // 访问第一个元素和最后一个元素
    std::cout << "First element: " << myList.front() << std::endl;
    std::cout << "Last element: " << myList.back() << std::endl;
    std::cout << "List size: " << myList.size() << std::endl; // 获取列表大小
    myList.clear();// 清空列表
    if (myList.empty()) {// 判断列表是否为空
        std::cout << "List is empty." << std::endl;
    }
    return 0;
}

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总结

本节介绍了队列、栈、列表是其中三个最为基础和常用的数据结构,唐怡佳继续加油~