C++_Stack和Queue的使用及其模拟实现
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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;
};
}