【C++】stack和queue

发布于：2025-08-02 ⋅ 阅读:(18) ⋅ 点赞:(0)

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前文

正文

一、stack的介绍

二、stack的使用

三、stack的模拟实现

四、queue的介绍

五、queue的使用

六、queue的模拟实现

七、priority_queue的介绍

八、priority_queue的使用

九、priority_queue的模拟实现

十、容器适配器

10.1 什么是适配器

10.2 STL标准库中stack和queue的底层结构 

总结

前文

stack和queue是特殊的线性表，也是我们在C中学过的最后两个线性表，我们这里将用C++学习再次学习一下这两个线性表。

正文

一、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。 

二、stack的使用

函数声明 接口说明
(constructor) 构造函数，一般构造一个空的栈(stack())

empty

 检测stack是否为空，是返回true，否返回false

size

 返回stack中的元素的个数

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

三、stack的模拟实现

 

#pragma once
#include <vector>
#include <list>
#include <deque>

namespace my
{
	template<class T, class Container = std::deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& t)
		{
			_con.push_back(t);
		}

		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}

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

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

四、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。 

五、queue的使用

函数声明 接口说明

(constructor)

 构造函数，一般构造空的队列(queue())

empty

 检测queue是否为空，是返回true，否返回false

size

 返回queue中元素的个数

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插入queue中

pop

 将队头元素弹出队列

 

六、queue的模拟实现

#pragma once
#include <vector>
#include <list>
#include <deque>

namespace my
{
	template<class T, class Container = std::deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& t)
		{
			_con.push_back(t);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();

			// 这样就可以支持vector了，但是效率就很低
			// _con.erase(_con.begin());
		}

		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;
	};
}

 

七、priority_queue的介绍

  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。 

八、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。

函数声明 接口说明

(constructor)

priority_queue(
InputIterator first, 
InputIterator last)
构造函数，构造一个空的优先级队列，或者将一段区间的数据构造成优先级队列

empty

 检测优先级队列是否为空，是返回true，否返回false

top

 返回优先级队列中最大(小)的元素，即堆顶元素

push

 向优先级队列中插入元素val

pop

 删除优先级队列中最大(小)的元素，即堆顶元素

 【注意】

1. 默认情况下，priority_queue是大堆，但通过修改第三个模板参数可变为小堆。

#include <queue>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <functional> // greater算法的头文件
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> v{ 5, 3, 7, 14, 8, 3, 52, 23 };
	// 默认情况下为大堆，底层按小于号比较
	priority_queue<int> pq1;
	for (auto i : v) pq1.push(i);

	while (!pq1.empty())
	{
		cout << pq1.top() << ' ';
		pq1.pop();
	}
	cout << endl;
	// 如果要创建小堆，要将第三个模板参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq2(v.begin(), v.end());
	while (!pq2.empty())
	{
		cout << pq2.top() << ' ';
		pq2.pop();
	}
	return 0;
}

 

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。 

class Date
{
public:
	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);
	}
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
int main()
{
	// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
	priority_queue<Date> q1;
	q1.push(Date(2025, 8, 1));
	q1.push(Date(2025, 8, 2));
	q1.push(Date(2025, 8, 3));
	cout << q1.top() << endl;  // 输出最大的数据
	// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
	priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2025, 8, 1));
	q2.push(Date(2025, 8, 2));
	q2.push(Date(2025, 8, 3));
	cout << q2.top() << endl;  // 输出最小的数据
	return 0;
}

 

九、priority_queue的模拟实现

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>

namespace my
{
	template<class T>
	class mygreater
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

	template<class T>
	class myless
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = myless<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		priority_queue() = default;

		template<class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				_con.push_back(*first);
				++first;
			}

			for (int i = (_con.size() - 2) / 2; i >= 0; --i)
				adjust_down(i);
		}

		void adjust_up(int child)
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;

			while (child)
			{
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else break;
			}
		}

		void adjust_down(int parent)
		{
			Compare com;
			int child = parent * 2 + 1;

			while (child < _con.size())
			{
				if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
					child++;

				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else break;
			}
		}

		void push(const T& t)
		{
			_con.push_back(t);
			adjust_down(_con.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			adjust_down(0);
		}

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

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

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

十、容器适配器

10.1 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。 

 

10.2 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queue只是对其他容器的接口进行包装，STL中stack和queue默认使用deque，priority_queue默认使用vector。（对deque感兴趣可以自己了解一下，这里不作了解）

 

 

 

总结

这篇文章我们了解了stack，queue和priority_queue，从介绍，使用到最后的模拟实现，相信大家对这三个容器有了比较好的理解了。 

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