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C++第十四弹 -- STL之queue和priority_queue深度剖析

时间：2024-08-30 12:50:54浏览次数：9  
标签：容器 deque -- C++ queue 队列 push con

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前言

本篇将继续介绍STL, 队列与优先级队列的介绍使用以及模拟实现.

博客主页: 酷酷学!!!

感谢关注!!!

1. queue的介绍与使用

1.1. queue的介绍

打开C++文档介绍, 我们可以发现< queue >头文件中包含了两种容器适配器类, 我们先来看queue.
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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
  • push_front: 在队列头部出队列
  1. 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实例化类, 则使用标准容器deque.

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1.2 为什么容器类不选vector?

对比C++之STL文档也可以发现, vector中并没有支持头插头删, 但是队列需要最多的接口就是头插头删, 因为vector进行头插头删时需要将后面所有的数据都进行移动, 时间复杂度为O(N)效率太低, 强行使用vector做底层容器也可以使用insert函数但是这就破坏了代码的统一性, 如果换做别的容器又不匹配, 而deque则是vector与list的结合体, 别名双端队列, 既支持下标访问,也支持头插头删.
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1.3 queue的使用

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以上为STL标准文档中queue的所有成员函数, 下面为我们本阶段需要掌握的成员函数

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1.4 OJ用队列实现栈

题目链接: 用队列实现栈
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题目思路

本题我们在数据结构队列那篇介绍过了已经, 现在我们使用C++的写法进行实现, 首先我们创建两个队列, 入栈时, 将数据插入到不为空的队列, 首次插入插入哪个都可以, 出队列时, 将不为空的队列的数据出队列入到为空的队列中, 只留最后一个数据在不为空的队列中, 返回之后并且删除, 返回栈顶元素, 与出队列类似, 将最后一个数据返回之后也插入到不为空的队列中.

代码演示

class MyStack {
public:
    MyStack() {

    }
    
    void push(int x) {
        if(q2.empty())
            q1.push(x);
        else
            q2.push(x);    
    }
    
    int pop() {
        queue<int>& Empty = q1.empty() ? q1 : q2;
        queue<int>& nEmpty = q1.empty() ? q2 : q1;

        while(nEmpty.size()>1)
        {
            Empty.push(nEmpty.front());
            nEmpty.pop();
        }
        int ret = nEmpty.front();
        nEmpty.pop();
        return ret;
    }
    
    int top() {
        queue<int>& Empty = q1.empty() ? q1 : q2;
        queue<int>& nEmpty = q1.empty() ? q2 : q1;
        while(nEmpty.size()>1)
        {
            Empty.push(nEmpty.front());
            nEmpty.pop();
        }

        int ret = nEmpty.front();
        Empty.push(ret);
        nEmpty.pop();
        return ret;
    }
    
    bool empty() {
        return q1.empty()&&q2.empty();
    }

    queue<int> q1;
    queue<int> q2;
};

/**
 * Your MyStack object will be instantiated and called as such:
 * MyStack* obj = new MyStack();
 * obj->push(x);
 * int param_2 = obj->pop();
 * int param_3 = obj->top();
 * bool param_4 = obj->empty();
 */

2. 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:

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

namespace my
{
	//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;

	};

}

3. deque的介绍

3.1 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一个接口.

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3.2 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:

在这里插入图片描述在这里插入图片描述

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3.3deque的简单介绍

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相比, 头插效率高, 不需要搬移元素, 与list比较. 空间利用率比较高.

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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：

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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：

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那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

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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。

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。

总结来说

deque的结构, []访问, 偶尔用用还行, 大量访问, 效率远不及vector, deque的中间位置insert和erase也需要考虑挪动数据, 效率不高, 但是, deque的头尾插入删除很不错, stack和queue用deque做默认适配容器是很合适的.

4. priority_queue的介绍与使用

4.1 介绍

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  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
  1. 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。
  2. 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。

4.2 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.

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构造函数有两个, 因此可以使用默认和迭代器进行构造

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重点:

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代码演示:

#include<iostream>
using namespace std;
#include<queue>
#include<vector>
#include<functional>

int main()
{
	priority_queue<int> pq1;
	int arr[] = { 1,3,2,4,5,7,9,5,6 };
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(int); ++i)
	{
		pq1.push(arr[i]);
	}
	while (!pq1.empty())
	{
		cout << pq1.top() << " ";
		pq1.pop();
	}
	cout << endl;

	vector<int> v = { 9,87,6,5,35,234,12,12 };
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>>pq2(v.begin(),v.end());
	while (!pq2.empty())
	{
		cout << pq2.top() << " ";
		pq2.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

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注意

  1. 默认情况下，priority_queue是大堆。
#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
	vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };
	priority_queue<int> 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_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;
}
  1. 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;
};

void TestPriorityQueue()
{
	// 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(2018, 10, 29));
	q1.push(Date(2018, 10, 28));
	q1.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q1.top() << endl;

	// 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(2018, 10, 29));
	q2.push(Date(2018, 10, 28));
	q2.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q2.top() << endl;
}

5. 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。

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其实对于greater和less这种类我们称之为仿函数, 类中重载(), 使之创建的对象使用方法就像函数一样.

我们先来回顾一下堆的插入

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插入元素之后, 破坏了堆的结构, 所以我们需要进行向上调整算法进行调整

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删除元素是删除堆顶的数据, 将堆顶数据和最后一个数据交换, 然后删除最后一个数据, 在进行向下调整算法.

这里模拟实现我们使用了仿函数进行封装, 以前我们改变大小堆都是通过> 和< 进行维护, 我们也可以修改默认模板参数来进行修改.

#pragma once
#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;

namespace my
{

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

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

	template<class T, class Container = vector<T>, class compare = myless<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		priority_queue() = default;//强制生成默认构造函数
		
		template<class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last)
			{
				_con.push_back(*first);
				++first;
			}
			for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
			{
				adjust_down(i);
			}
		}

		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			adjust_up(_con, size() - 1);
		}

		//向上调整算法
		void adjust_up(int child)
		{

			compare comfunc;

			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//_con[parent] < _con[child]
				if (comfunc(_con[parent],_con[child]))
					//confunc.operator()(_con[parent],_con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}

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

		//向下调整算法
		void adjust_down(int parent)
		{
			compare comfunc;
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				//child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1]
				if (child+1<_con.size()&&comfunc(_con[child],_con[child+1]))
				{
					++child;
				}

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

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

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

总结

优先级队列是一种特殊的数据结构，它扩展了常规队列的概念，允许多种数据以不同的优先级进行处理。在优先级队列中，每个元素都被赋予一个优先级，通常以数值表示。与常规队列不同的是，优先级队列在出队时并不总是按照入队的顺序，而是根据元素的优先级进行排序，优先级高的元素会先被处理。

标签：容器,deque,--,C++,queue,队列,push,con
From： https://blog.csdn.net/2201_75644377/article/details/141688171

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