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代码仓库分享 前言
C标准模板库Standard Template LibrarySTL是C语言的一个重要组成部分提供了一组通用的数据结构和算法以便开发人员能够高效地编写可重用的代码。STL中的两个常用容器即stack堆栈和queue队列在许多应用中都是非常有用的。本文将介绍这两个容器的接口和底层实现以便读者能够深入理解它们的工作原理和用法。
目录
1.stack的介绍和使用
1.1 stack的介绍
1.2 stack的使用
1.3 stack的模拟实现
2. queue的介绍和使用
2.1 queue的介绍
2.2 queue的使用 2.3 queue的模拟实现 3. priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue的介绍编辑
3.2 priority_queue的使用
4. 容器适配器
4.1 什么是适配器
4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
4.3 deque的简单介绍(了解) 4.3.1 deque的原理介绍
编辑 4.3.2 deque的缺陷
4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
4.5 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现、
4.5.1 stack的模拟实现 4.5.2 queue的模拟实现 1.stack的介绍和使用
1.1 stack的介绍 1. 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。 2. stack是作为容器适配器被实现的容器适配器即是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将特定类作为其底层的元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。 3. stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类这些容器类应该支持以下操作 empty判空操作 back获取尾部元素操作 push_back尾部插入元素操作 pop_back尾部删除元素操作 4. 标准容器vector、deque、list均符合这些需求默认情况下如果没有为stack指定特定的底层容器默认情况下使用deque。 1.2 stack的使用
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
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#includeiostream
#includestack
using namespace std;
#includestack.h
void test_stack()
{stackint st;st.push(1);st.push(6);st.push(9);st.push(5);while (!st.empty()){cout st.top() ;st.pop();}cout endl;
} 通过上面的学习我相信大家已经对接口这些内容非常熟练上述代码就是对一些接口的使用。
1.3 stack的模拟实现
从栈的接口中可以看出栈实际是一种特殊的vector因此使用vector完全可以模拟实现stack。
#includevector
namespace bite
{
templateclass T
class stack
{
public:
stack() {}
void push(const T x) {_c.push_back(x);}
void pop() {_c.pop_back();}
T top() {return _c.back();}
const T top()const {return _c.back();}
size_t size()const {return _c.size();}
bool empty()const {return _c.empty();}
private:
std::vectorT _c;
};
}
2. queue的介绍和使用
2.1 queue的介绍 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。 3. 底层容器可以是标准容器类模板之一也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作: empty检测队列是否为空 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_back在队列尾部入队列 pop_front在队列头部出队列 4. 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。 2.2 queue的使用
函数声明接口声明queue()构造空的队列empty()检测队列是否为空是返回true否则返回falsesize()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()
{queueint qu;qu.push(1);qu.push(2);qu.push(3);qu.push(4);qu.push(5);cout qu.size() endl;cout qu.front() endl;cout qu.back() endl;while (!qu.empty()){cout qu.front() ;qu.pop();}cout endl;}
int main()
{test_queue();return 0;
} 2.3 queue的模拟实现 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具体如下
#include list
namespace bite
{
templateclass T
class queue
{
public:
queue() {}
void push(const T x) {_c.push_back(x);}
void pop() {_c.pop_front();}
T back() {return _c.back();}
const T back()const {return _c.back();}
T front() {return _c.front();}
const T front()const {return _c.front();}
size_t size()const {return _c.size();}
bool empty()const {return _c.empty();}
private:
std::listT _c;
};
} 3. priority_queue的介绍和使用
3.1 priority_queue的介绍 priority_queue函数在#includequeue 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。 4. 底层容器可以是任何标准容器类模板也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问并支持以下操作 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 5. 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。 6. 需要支持随机访问迭代器以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。 3.2 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。
函数说明接口说明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xpop()删除优先级队列中最大(最小)元素即堆顶元素 注意:
1. 默认情况下priority_queue是大堆大的优先级高。 我们可以看函数模板中第二个缺省参数为vector 而第三个参数是一个仿函数也是有缺省值的参数。大堆为less那小堆就是greaterint。
#include vector
#include queue
#include functional // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
// 默认情况下创建的是大堆其底层按照小于号比较
vectorint v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
priority_queueint q1;
for (auto e : v)
q1.push(e);
cout q1.top() endl;
// 如果要创建小堆将第三个模板参数换成greater比较方式
priority_queueint, vectorint, greaterint q2(v.begin(), v.end());
cout q2.top() endl;
}
所以当我们需要进行小堆时所以我们需要在函数中增加参数。
2. 如果在priority_queue中放自定义类型的数据用户需要在自定义类型中提供 或者 的重载。
4. 容器适配器
4.1 什么是适配器
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。 4.2 STL标准库中stack和queue的底层结构
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 4.3 deque的简单介绍(了解) 4.3.1 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 4.3.2 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listdeque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。
4.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
tack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。
4.5 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现、
4.5.1 stack的模拟实现
#includedeque
namespace bite
{
templateclass T, class Con dequeT
//templateclass T, class Con vectorT
//templateclass T, class Con listT
class stack
{
public:
stack() {}
void push(const T x) {_c.push_back(x);}
void pop() {_c.pop_back();}
T top() {return _c.back();}
const T top()const {return _c.back();}
size_t size()const {return _c.size();}
bool empty()const {return _c.empty();}
private:
Con _c;
};
} 4.5.2 queue的模拟实现
#includedeque
#include list
namespace bite
{
templateclass T, class Con dequeT
//templateclass T, class Con listT
class queue
{
public:
queue() {}
void push(const T x) {_c.push_back(x);}
void pop() {_c.pop_front();}
T back() {return _c.back();}
const T back()const {return _c.back();}
T front() {return _c.front();}
const T front()const {return _c.front();}
size_t size()const {return _c.size();}
bool empty()const {return _c.empty();}
private:
Con _c;
};
}
在这篇【C历练之路】的文章中我们深入探讨了C标准模板库STL中的两个重要容器——stack堆栈和queue队列以及它们的底层实现。通过对它们的接口和底层原理进行详细的讲解我们希望读者能够更全面地了解这两个容器在C编程中的应用。
通过使用stack我们可以轻松实现后进先出LIFO的数据结构模拟堆栈的操作并在实际开发中提高代码的可读性和可维护性。同时queue作为一种先进先出FIFO的数据结构为处理需要按顺序进行的任务提供了便捷的解决方案。
我们也深入研究了它们的底层实现发现它们都使用了双端队列deque作为基础容器。这种设计使得stack和queue能够在两端进行高效的插入和删除操作从而保证了它们在各种场景下的性能表现。
通过阅读这些文章我们希望读者在C编程的历程中能够更加自信地运用这两个容器并理解它们背后的设计思想。同时深入了解底层知识也有助于培养对数据结构和算法的深入理解为更高级的编程挑战做好准备。
