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

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：

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

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;
	};
}
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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：

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：

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;
	};
}
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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：

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。

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？具体如下：

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)。

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;
	};
}
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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】：

【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
}

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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】：

【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
}
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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();
	}
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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