【C++】STL--queue、deque、priority的模拟实现和应用
目录
4.3 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
1、queue的介绍
在C++中，queue是一种基于先进先出（FIFO）原则操作的容器。
队列的头部是第一个被添加的元素，也是第一个可以被删除的元素。
新添加的元素总是被放在队列的尾部。
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。
1.2 queue的常规操作
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
构建空的队列
queue<int> q1();
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，具体如下：
#include<list>
#include<queue>
namespace study
{
//deque list 不支持vector
template<class T,class Container = deque<int>>
class queue
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_fornt();
//_con.erase(_con.begin());
//这样就可以支持vector,但是效率就很低了
}
const T& back()
{
return _con.back();
}
const T& front()
{
return _con.front();
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
}使用：
#include "Queue.h"
int main()
{
// 队列:
cout << "QUEUE :" << endl;
study::MyQueue <int, list<int >> q1;
study::MyQueue <int, deque<int >> q2;
q1.push(1);
q1.push(2);
q1.push(3);
q2.push(4);
q2.push(5);
q2.push(6);
while (!q1.empty())
{
cout << q1.front() << " ";
q1.pop();
}
cout << endl;
while (!q2.empty())
{
cout << q2.front() << " ";
q2.pop();
}
return 0;
}输出：
QUEUE :
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4 5 63、priority_queue（优先级队列）的介绍和实现
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。
其实优先级队列就是数据结构中的堆!
3.1 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。
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
3.2 priority_queue的应用
void test_priority_queue1()
{
priority_queue<int> pq;
pq.push(1);
pq.push(4);
pq.push(3);
pq.push(2);
pq.push(5);
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;
}
//默认是大堆，那么需要小堆怎么处理呢？ --- 仿函数greater
void test_priority_queue2()
{
priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;
pq.push(1);
pq.push(4);
pq.push(3);
pq.push(2);
pq.push(5);
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;
vector<int> v = { 3,1,2,4,5,1,5,8,9 };
sort(v.begin(), v.end());//默认为升序
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
//仿函数
//greater<int> gt;
//sort(v.begin(), v.end(), gt);//输出为降序
//通常用匿名对象greater<int>()
sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
}
//仿函数 -- 日期类
//日期类
class Date
{
public:
friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
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);
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
//仿函数控制比较逻辑，控制如何比较
class GreaterPDate
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 > *p2;
}
};
void test_greator_Date()
{
/study::priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> pqdate;
study::priority_queue<Date, vector<Date>> pqdate;
Date d1(2024, 4, 8);
pqdate.push(d1);//有名对象
pqdate.push(Date(2024,4,10));//匿名对象
pqdate.push({2024,4,15});//隐式类型转换 --- 会生成临时对象，让临时对象走构造
while (!pqdate.empty())
{
cout << pqdate.top() << " ";
pqdate.pop();
}
cout << endl;
//注意对Date*的引用 -- 本质是比较的地址，地址new开辟是随机的，所以不能直接比较大小
//所以可以用特定的仿函数解决
//且注意：不能对内置类型进行重载
study::priority_queue<Date*, vector<Date*>, GreaterPDate> pqptr;
pqptr.push(new Date(2024, 4, 14));
pqptr.push(new Date(2024, 4, 11));
pqptr.push(new Date(2024, 4, 18));
while (!pqptr.empty())
{
cout << *(pqptr.top()) << " ";
pqptr.pop();
}
cout << endl;
}
3.3 priority_queue的模拟实现
通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对对进行通用的封装即可。
namespace study
{
//仿函数
template<class T>
class Less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};
template<class T>
class greator
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x > y;
}
};
template<class T, class Container = vector<T>, class Copmpare = Less<T>>//默认Less大堆
class priority_queue
{
public:
void Adjust_up(size_t child)
{
Copmpare cmp;
size_t parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)//孩子到根·就结束
{
//if (_con[child] > _con[parent])
//if (_con[parent] < _con[child])
if (cmp(_con[parent], _con[child]))//仿函数的应用
{
swap(_con[child], _con[parent]);
//更新父子的位置
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else//遇见child < parent时跳出
{
break;
}
}
}
//尾插 + 向上调整
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
Adjust_up(_con.size() - 1);
}
void Adjust_down(size_t parent)
{
Copmpare cmp;
size_t child = parent * 2 + 1;//左孩子
while (child < _con.size())
{
//if (child + 1 < _con.size() && _con[child + 1] > _con[child])
//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
if (child + 1 < _con.size() && cmp(_con[child], _con[child + 1]))
{
++child;
}
//if (_con[child] > _con[parent])
//if (_con[parent] < _con[child])
if (cmp(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
//更新父子的位置
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
//首尾交换 + 尾删 + 向下调整
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.pop_back();
Adjust_down(0);
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
const T& top()
{
return _con[0];
}
private:
Container _con;
};
}
仿函数
仿函数（Functors）或函数对象（Function Objects）是C++中一种特殊的类，它们被设计为像函数那样被调用，但实际上它们是对象。仿函数通常重载了operator()，这使得它们可以像函数那样使用圆括号和参数进行调用。
4、deque
4.1 deque的原理介绍
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。
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：
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：
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
4.2 deque的缺陷
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。
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，因此其效率是比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。
尽管 deque 在某些方面具有优势，但由于其遍历性能较低和内存管理复杂等缺陷，在需要频繁遍历或要求高效随机访问的场景中，vector 和 list 通常是更好的选择。因此，在实际应用中，deque 的使用相对较少，主要用于特定场景，如 stack 和 queue 的底层数据结构
4.3 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
4.4 deque的简单接口应用
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <queue>
#include <algorithm>
using namespace std;
void test_deque1()
{
//模板
bit::deque<int> dt;
dt.push(1);
dt.push(2);
dt.push(3);
while (!dt.empty())
{
cout << dt.front() << " ";
dt.pop();
}
cout << endl;
}
//[]的运用相较vector和list较慢。
void test_sort()
{
srand((unsigned int)time(0));
const int N = 100000;
std::deque<int> dp;
vector<int> v;
for (int i = 0; i < N; i++)
{
auto e = rand() + 1;
v.push_back(e);
dp.push_back(e);
}
int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
sort(dp.begin(), dp.end());
int end2 = clock();
printf("vector: %d\n", end1 - begin1);
printf("deque: %d\n", end2 - begin2);
}
int main()
{
//test_deque1();
test_sort();
return 0;
}
4.5 deque的模拟实现
namespace bite
{
template<class T, class Container = list<T>>
class deque
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_front();
}
T& back()
{
return _con.back();
}
const T& back() const
{
return _con.back();
}
T& front()
{
return _con.front();
}
const T& front() const
{
return _con.front();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}
本篇完，下篇见！如有问题，欢迎指导！
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