C++ STL stack、queue 及 priority_queue 深度剖析

2.2 queue 的使用

3. priority_queue 的介绍和使用

3.1 介绍

1. 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）、top()（返回容器中第一个元素的引用）、push()（在容器插入元素）、pop()（删除容器元素）。 2. 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。

3.2 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。

4. 容器适配器

通过字面理解，所谓的 适配器 就相当于我们在给我们手机充电的时候，电压是 220V，难道往我们手机直接充电就是 220W 的电压，很显然这不符合我们所理解的常识，我们的充电器的插头就充当了这个角色 ("适配器").

适配器是一种设计模式 (设计模式是一套反复使用的、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。

template<class T,class Containter = deque<T>> class stack { //...... private: Containter _con; };

直观的理解就是 一个模板参数，这个模板参数是一个容器 (可以是 vector、list.....)，作为成员变量的类型，根据使用者传的类型，作为成员变量的类型。

为什么 stack 和 queue 在 STL 中并没有将其划分在容器的队列，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了包装。STL 中 stack 和 queue 的 默认适配器使用的是 deque。(下面有解析).

5. 双端队列 (deque)

5.1 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。

注意: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。底层原理:

优缺点:

deque 缺陷:①中间插入和删除.②频繁的访问 (operator[]). 双端队列的迭代器底层实现

5.2 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。 3. 结合了 deque 的优点，而完美的避开了其缺陷。

6. Stack 的模拟实现

template<class T, class Container = deque<T>> class stack {
public:
    void push(const T& x) { _con.push_back(x); }
    void pop() { _con.pop_back(); }
    T& top() { return _con.back(); }
    size_t size() { return _con.size(); }
    bool empty() { return _con.empty(); }
private:
    Container _con;
};

7. queue 的模拟实现

template<class T, class Container = deque<T>> class queue {
public:
    void push(const T& x) { _con.push_back(x); }
    void pop() { _con.pop_front(); //禁止 vector 当适配器，代价太大 //_con.erase(_con.begin()); }
    T& front() { return _con.front(); }
    T& back() { return _con.back(); }
    size_t size() { return _con.size(); }
    bool empty() { return _con.empty(); }
private:
    Container _con;
};

8. 仿函数

仿函数就是一个模板参数，根据这个模板参数可以实现控制数据的排序是按升序还是降序。

这个模板参数封装成了类，重载了 operator(), 通过调用类模板参数的类的运算符重载 (operator > 和 operator <) 来实现自定义类型的比较。

示例:

特殊情况：仿函数需要自己实现

例如:

9. priority_queue 模拟实现

template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>> class priority_queue {
    Compare com;
    //向下调整
    void AdjustDown(int parent) {
        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])) {
                swap(_con[child], _con[parent]);
                parent = child;
                child = parent * 2 + 1;
            } else break;
        }
    }
    //向上调整
    void AdjustUp(int child) {
        int parent = (child - 1) / 2;
        while (child > 0) {
            if (com(_con[parent], _con[child])) {
                swap(_con[child], _con[parent]);
                child = parent;
                parent = (child - 1) / 2;
            } else break;
        }
    }
public:
    priority_queue() {}
    //迭代器初始化
    template<class Inputiterator>
    priority_queue(Inputiterator first, Inputiterator last) {
        while (first != last) {
            _con.push_back(*first);
            ++first;
        }
        //建堆
        for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--) {
            AdjustDown(i);
        }
    }
    void push(const T& x) {
        _con.push_back(x);
        //向上调整
        AdjustUp(_con.size() - 1);
    }
    void pop() {
        swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
        _con.pop_back();
        AdjustDown(0);
    }
    const T& top() { return _con[0]; }
    size_t size() { return _con.size(); }
    bool empty() { return _con.empty(); }
private:
    Container _con;
};