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C++_Stack和Queue的使用及其模拟实现

article 2024/10/18 9:10:02

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1.stack的介绍及使用

1.1stack的介绍

stack的文档介绍

深入了解栈在数据结构中有讲解(深入了解栈)这里作简要讲解。

1.2stack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

stack的接口很少，我们做道题来理解这些接口>>最小栈

​

class MinStack
{
	public :
	void push(int x)
	{
		// 只要是压栈，先将元素保存到_elem中
		_elem.push(x);
		// 如果x小于_min中栈顶的元素，将x再压入_min中
		if (_min.empty() || x <= _min.top())
			_min.push(x);
	} 
	void pop()
	{
		// 如果_min栈顶的元素等于出栈的元素，_min顶的元素要移除
		if (_min.top() == _elem.top())
			_min.pop();
		_elem.pop();
	} 
	int top() { return _elem.top(); }
	int getMin() { return _min.top(); }
private:
	// 保存栈中的元素
	std::stack<int> _elem;
	// 保存栈的最小值
	std::stack<int> _min;
};

栈的弹出压入序列

​

class Solution {
public:
	bool IsPopOrder(vector<int> pushV, vector<int> popV) {
		//入栈和出栈的元素个数必须相同
		if (pushV.size() != popV.size())
			return false;
		// 用s来模拟入栈与出栈的过程
		int outIdx = 0;
		int inIdx = 0;
		stack<int> s;
		while (outIdx < popV.size())
		{
			// 如果s是空，或者栈顶元素与出栈的元素不相等，就入栈
			while (s.empty() || s.top() != popV[outIdx])
			{
				if (inIdx < pushV.size())
					s.push(pushV[inIdx++]);
				else
					return false;
			} 
			// 栈顶元素与出栈的元素相等，出栈
				s.pop();
			outIdx++;
		} 
		return true;
	}
};

1.3栈的模拟实现

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，也可以使用string容器模拟实现。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS  1

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
namespace sui
{
	template<class T>
	class stack
	{
	public://vector模拟实现stack
		stack() {
		}
        //入栈，vector尾插
		void push(const T& x) {
			_c.push_back(x);
		}
        //出栈，vector尾删
		void pop() { 
			_c.pop_back(); 
		}
        //栈顶的数据，vector[0]
		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::vector<T> _c;
	};
}

2.queue的介绍及使用

2.1 queue的介绍

queue的文档介绍

在数据结构中有讲解(最小栈)这里作简要讲解。

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

与stack的接口类似这里就不解释了，其中注意:pop（栈为后进先出，队列为后进后出）

函数声明接口说明
queue()构造空的队列
empty()检测队列是否为空，是返回true，否则返回false
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()在队尾将元素val入队列
pop()将队头元素出队列

2.3 queue的模拟实现

因为queue的接口中存在头删和尾插（每次的删除伴随着数据的移动），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<iostream>
#include <list>
using namespace std;

namespace sui
{
	template<class T>
	class queue
	{
		public :
		queue() {}
		//使用链表实现队列，大大减少了顺序表删除时
		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::list<T> _c;
	};
}

3. priority_queue的介绍和使用

priority_queue文档介绍

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。

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。

函数声明接口说明
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，否返回false
top( )返回优先级队列的最大值(最小值)，即堆顶元素
push(x)在优先级队列中插入x
pop()删除优先级队列中的最大(最小)元素，即堆顶元素

注意:

1.在默认情况下priority_queue默认为大堆

#include<iostream>
#include <vector>
#include <queue>

using namespace std;
void TestPriorityQueue()
{
	vector<int> v{ 3,2,7,6,0,4,1,9,8,5 };
	priority_queue<int> q1(v.begin(), v.end());

	while (!q1.empty())
	{
		cout << q1.top() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;

	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	while (!q2.empty())
	{
		cout << q2.top() << " ";
		q2.pop();
	}
}
int main()
{
	TestPriorityQueue();
	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;
};

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;
}

3.可以使用仿函数进行大堆小堆的排序

仿函数实质是一个类，是一个什么类呢？
是一种重载了函数调用运算符operator()的类或结构体，它可以使一个类的使用看上去像一个函数。仿函数可以接受参数并返回值，可以用于STL算法中的函数对象参数，也可以用于函数指针的替代。

仿函数的主要作用包括：
‌①提供一种灵活的方式来实现函数对象‌，可以根据实际需求定制自己的函数对象，比如排序、查找等算法。
‌②封装函数参数‌，使得算法可以接受不同类型的参数，增加算法的通用性。
③保存状态‌，在多次调用之间保持状态，避免每次调用时都需要重新计算。
‌④替代函数指针‌，因为函数指针只能指向全局函数或静态成员函数，而仿函数可以指向任意类型的函数，包括成员函数和非静态成员函数。

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

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

template<class T,class Compare>
void BubbleSort(vector<T>& v,Compare com)
{
	int i = 0, j = 0;
	for (i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		int flag = 0;
		for (j = 1; j < v.size() - i; j++)
		{
			if (com(v[j], v[j - 1]))
			{
				swap(v[j-1],v[j]);
				flag = 1;
			}
		}
		if (flag == 0)
		{
			break;
		}
	}
}

int main()	
{
	vector<int> v;
	v.push_back(5);
	v.push_back(7);
	v.push_back(8);
	v.push_back(1);
	v.push_back(0);
	v.push_back(2);
	v.push_back(6);
	v.push_back(9);
	
	BubbleSort(v, Less<int>());//此处是匿名对象传参的，也可以先创建Less less;
	auto it1 = v.begin();
	while (it1 != v.end())
	{
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}
	
	return 0;
}

3.2 priority_queue的模拟实现

#include<deque>
#include <list>
namespace sui
{
	template<class T, class Con = deque<T>>
	//template<class T, class Con = list<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:
		Con _c;
	};
}

http://www.kler.cn/news/354229.html

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