【C++进阶】深入STL之 栈与队列：数据结构探索之旅

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往期回顾：模拟实现list与迭代器
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前言： 在编程的世界里，数据结构是构建高效、可靠程序的基础。它们就像是我们编程工具箱中的精密工具，帮助我们解决各种复杂的问题。而在C++的STL中，栈（Stack）和队列（Queue）是两种非常重要的数据结构，它们以不同的方式管理和操作数据，为我们的程序提供了极大的灵活性

为了真正掌握它们，我们需要深入学习它们在STL中的实现方式，理解它们背后的原理和机制，以及学习如何在实际编程中有效地使用它们，让我们一起踏上学习STL栈与队列的旅程吧！

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1. stack和queue的基本概念

stack的基本概念

栈（Stack）是一种后进先出（LIFO）的数据结构

• 它的操作特性使其在处理递归调用、函数调用栈以及撤销操作等问题时表现出色。通过栈，我们可以轻松地实现如括号匹配、表达式求值等算法。

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queue的基本概念

队列（Queue）则是一种先进先出（FIFO）的数据结构

• 它在处理需要按顺序处理的任务时非常有用。无论是操作系统中的任务调度，还是网络中的数据包传输，队列都扮演着不可或缺的角色。

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2. stack与queue的常用操作

️stack的常用操作

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
push()	将元素val压入stack中
pop()	将stack中尾部的元素弹出

void test_stack()
{
	stack<int, vector<int>> st; // 构造栈
	st.push(1); // 将元素val压入stack中
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	printf("栈中有效元素个数为：%d", st.size()); // 返回stack中元素的个数
	while (!st.empty()) // 检测stack是否为空
	{
		printf("%d ", st.top()); // 返回栈顶元素的引用
		st.pop(); // 将stack中尾部的元素弹出
	}
}

相较于之前的栈的常用函数学习还是很简单的，在了解完基本用法后，这里推荐几个相关题目

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queue的常用操作

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
back()	返回队尾元素
push()	在队尾将元素val入队列
pop()	将队头元素出队列

void test_queue()
{
	queue<int, list<int>> q; // 构造队列
	q.push(1); // 在队尾将元素val入队列
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	printf("队列中有效元素个数为：%d", q.size()); // 返回stack中元素的个数
	while (!q.empty()) // 检测queue是否为空
	{
		printf("%d ", q.front()); // 返回队头元素
		q.pop(); // 将队头元素出队列
	}
}

相较于之前的栈的常用函数学习还是很简单的，在了解完基本用法后，这里推荐几个相关题目，不多说直接上题目巩固
最小栈
栈的压入、弹出序列
逆波兰表达式求值
用栈实现队列
用队列实现栈

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3. 容器适配器

容器适配器是一种机制，它接受一种已有的容器类型，通过封装和改造，使其行为看起来像另一种类型。这允许我们使用特定的数据访问和操作模式（如栈、队列或优先队列）来管理容器中的数据，而无需修改原始容器的实现。

C++标准库定义了三种序列容器适配器：

容器适配器	概念
stack（栈）	栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，具有push（压栈）、pop（弹栈）、top（查看栈顶元素）等基本操作。在STL中，stack可以建立在vector、list、deque等容器之上。
queue（队列）	队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，具有push（入队）、pop（出队）、front（查看队首元素）、back（查看队尾元素）等基本操作。queue在STL中也是一个容器适配器。
priority_queue（优先队列）	优先队列是一种特殊的队列，其中元素的出队顺序不是按照它们进入队列的顺序，而是根据它们的优先级。priority_queue提供了push（插入元素）、pop（删除最高优先级元素）、top（查看最高优先级元素）等操作。

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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，这个在stack和queue的基本概念中可以看到。

有了容器适配器后，我们在模拟实现时，就不需要自己再从底层出发，而是可以直接调用已经存在的容器

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4. deque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

我们查表发现deque基本上包含了vector与list的用法，那我们之前为什么还要费尽心思去学习呢？直接学习deque不好吗？

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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，

在序列式场景中，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

因此我们还是要单独学习list和vector的

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5. stack和queue的模拟实现

在模拟实现这俩个容器的时候，我们只要实现它的常用函数，在模拟实现时，我们只需要复用就可以了

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();
	}
	const T& top()
	{
		return _con.back();
	}
	bool empty()
	{
		return _con.empty();
	}
	size_t size()
	{
		_con.size();
	}
private:
	Container _con;
};

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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();
	}
	bool empty()
	{
		return _con.empty();
	}
	const T& front()
	{
		return _con.front();
	}
	size_t size()
	{
		_con.size();
	}
private:
	Container _con;
};

关于stack与queue的模拟实现就是复用之前学过的函数，没什么好说的，让我们进入重头戏

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6. priority_queue

priority_queue的基本概念

关于优先级队列，我们就可以把它想象成堆那样的结构

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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priority_queue的常用操作

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，否则返回false
top( )	返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素
push(x)	在优先级队列中插入元素x
pop()	删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

void test_priority_queue()
{
	std::priority_queue<int> q; // 构造优先级队列
	q.push(1); // 在优先级队列中插入元素x
	q.push(43);
	q.push(233);
	q.push(43);
	q.push(4);
	q.push(73);
	q.push(2);
	while (!q.empty()) // 检测优先级队列是否为空
	{
		printf("%d ", q.top()); // 返回堆顶元素
		q.pop(); // 删除堆顶元素
	}
}

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⭐priority_queue的模拟实现

// 仿函数，数据的比较方法
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 Container = vector<T>, class Compare = Less<T>>
class priority_queue
{
public:
	priority_queue() // 无参构造
	{}

	template<class InputIterator>
	priority_queue(InputIterator first, InputIterator last) // 迭代器构造
		:_con(first,last)
	{
		// 向下调整建堆
		for (int i = (_con.size() - 2) / 2; i >= 0; i--)
		{
			AdjustDown(i);
		}
	}
	void AdjustUp(int child) // 向上调整
	{
		int parent = (child - 1) / 2;
		Compare com;
		while (child > 0)
		{
			if (com(_con[child], _con[parent]))
			{
				swap(_con[child], _con[parent]);
				child = parent;
				parent = (child - 1) / 2;
			}
			else
			{
				break;
			}
		}
	}
	void AdjustDown(int parent) // 向下调整
	{
		int child = parent * 2 + 1;
		Compare com;
		while (com(child , _con.size()))
		{
			if ((child + 1 < _con.size()) &&
				com(_con[child + 1], _con[child]))
			{
				child++;
			}
			if (com(_con[child] , _con[parent]))
			{
				swap(_con[child], _con[parent]);
				parent = child;
				child = parent * 2 + 1;
			}
			else
			{
				break;
			}
		}
	}
	void push(const T& x)
	{
		_con.push_back(x);
		AdjustUp(_con.size() - 1); // 在插入新元素时，我们要调整容器里面的元素
	}
	size_t size()
	{
		return _con.size();
	}
	const T& top()
	{
		return _con[0];
	}
	void pop()
	{
		swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
		_con.pop_back(); 
		AdjustDown(0); // 删除时，依旧要调整元素
	}
	bool empty()
	{
		return _con.empty();
	}
private:
	Container _con;
};

关于priority_queue的模拟实现，依然是以复用为主，只不过多了一些堆要使用的调整函数，而且我们在查priority_queue这个容器时，不难发现其实它是有三个模板参数的，它的第三个模板参数就是，数据的排列方式，也就是决定大小堆的，这就涉及到了仿函数，关于仿函数，下节我们在讲！

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7. 总结

在深入探讨了STL（Standard Template Library）中的栈（stack）与队列（queue）之后，我们不难发现这两大数据结构在程序设计中扮演着至关重要的角色。栈与队列的引入，不仅极大地丰富了C++程序员的工具箱，也为解决各种实际问题提供了更为高效、优雅的方法

学习栈与队列并不仅仅是为了掌握它们的基本操作和应用场景。更重要的是，我们要学会如何根据问题的特点选择合适的数据结构，以及如何有效地利用数据结构来解决实际问题。在这个过程中，我们需要不断思考、探索和实践，才能不断提升自己的编程能力和问题解决能力。让我们继续前行，不断探索编程的奥秘，享受编程的乐趣！

谢谢大家支持本篇到这里就结束了，端午安康，祝大家天天开心！