C++之容器适配器介绍 以及 STL--stack queue deque

容器适配器

在C++中，容器适配器（Container Adaptors）是一种特殊的容器类，它们提供了特定的接口来操作底层容器。容器适配器本身并不直接存储元素，而是通过封装其他容器（如vector、deque或list）来提供特定的功能。C++标准库提供了三种主要的容器适配器：stack（栈）、queue（队列）和priority_queue（优先队列）。

1. stack（栈）

• 特点：后进先出（LIFO）的数据结构。
• 支持操作：push（入栈）、pop（出栈）、top（访问栈顶元素）、empty（判断是否为空）、size（返回元素个数）。
• 底层容器：默认使用deque，也可指定为vector或list。可在第二个参数给出。

2. queue（队列）

• 特点：先进先出（FIFO）的数据结构。
• 支持操作：push（入队）、pop（出队）、front（访问队首元素）、back（访问队尾元素）、empty、size。
• 底层容器：默认使用deque，也可指定为list。

3. priority_queue（优先队列）

• 特点：元素按优先级排序，优先级高的元素先出队。
• 支持操作：push（插入元素）、pop（删除优先级最高的元素）、top（访问优先级最高的元素）、empty、size。
• 底层容器：默认使用vector，结合heap算法实现。
• 默认排序：最大堆（大顶堆），即元素按降序排列。

底层容器选择

容器适配器可通过模板参数指定底层容器：

// 使用vector作为stack的底层容器
stack<int, vector<int>> stackWithVector;// 使用list作为queue的底层容器
queue<int, list<int>> queueWithList;

总结

容器适配器	数据结构特点	默认底层容器	适用场景
stack	LIFO	deque	递归模拟、表达式求值
queue	FIFO	deque	任务调度、广度优先搜索
priority_queue	优先级排序	vector+heap	任务调度（按优先级）、贪心算法

选择合适的容器适配器可以提高代码的可读性和性能。

一、C++ Stack 介绍

（一）定义

在 C++ 中，stack 是一种容器适配器，它提供了一种后进先出（Last In First Out，LIFO）的数据结构。它基于底层容器（默认是 std::deque，也可以是 std::vector 或 std::list 等）来存储元素，但只允许在容器的一端（称为栈顶）进行操作。

（二）主要操作

1. 构造和析构
   • 默认构造函数会创建一个空的栈。
   • 析构函数会销毁栈中的所有元素。
2. 元素访问
   • top()：返回栈顶元素的引用。如果栈为空，调用 top() 是未定义行为。
3. 容量
   • empty()：检查栈是否为空，如果为空返回 true，否则返回 false。
   • size()：返回栈中元素的数量。
4. 修改器
   • push(const T& value)：将一个新元素压入栈顶。
   • pop()：移除栈顶元素。注意，pop() 不返回被移除的元素，如果栈为空，调用 pop() 是未定义行为。
   • emplace(Args&&... args)：在栈顶构造一个新元素，避免了额外的拷贝或移动操作。

（三）底层容器

stack 的底层容器默认是 std::deque，但可以通过模板参数指定其他容器，如 std::vector 或 std::list。底层容器的选择会影响 stack 的性能和内存使用方式。

二、C++ Stack 的使用

（一）包含头文件

在使用 stack 之前，需要包含头文件 <stack>：

#include <stack>

（二）基本操作示例

#include <iostream>
#include <stack>int main() {// 创建一个空的栈std::stack<int> mystack;// 向栈中压入元素mystack.push(10);mystack.push(20);mystack.push(30);// 访问栈顶元素std::cout << "栈顶元素是: " << mystack.top() << std::endl;// 检查栈是否为空std::cout << "栈是否为空: " << (mystack.empty() ? "是" : "否") << std::endl;// 输出栈的大小std::cout << "栈的大小是: " << mystack.size() << std::endl;// 弹出栈顶元素mystack.pop();// 再次访问栈顶元素std::cout << "弹出一个元素后，栈顶元素是: " << mystack.top() << std::endl;return 0;
}

（三）使用自定义类型

stack 可以存储任何类型的元素，包括自定义类型。自定义类型需要满足底层容器的要求，例如提供默认构造函数、拷贝构造函数等。

#include <iostream>
#include <stack>struct Person {std::string name;int age;Person(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) {}
};int main() {std::stack<Person> personStack;personStack.push(Person("Alice", 25));personStack.push(Person("Bob", 30));std::cout << "栈顶元素是: " << personStack.top().name << ", 年龄: " << personStack.top().age << std::endl;return 0;
}

（四）底层容器的选择

可以通过模板参数指定底层容器。例如，使用 std::vector 作为底层容器：

#include <iostream>
#include <stack>
#include <vector>int main() {std::stack<int, std::vector<int>> mystack;mystack.push(10);mystack.push(20);std::cout << "栈顶元素是: " << mystack.top() << std::endl;return 0;
}

不同的底层容器会影响 stack 的性能和内存使用。例如：

• std::deque（默认）：支持快速的插入和删除操作，内存分配相对灵活。
• std::vector：内存连续，访问速度快，但插入和删除操作可能涉及内存重新分配。
• std::list：支持双向迭代，插入和删除操作非常高效，但访问速度相对较慢。

一、C++ Queue 介绍

（一）定义

在 C++ 中，queue 是一种容器适配器，它提供了一种先进先出（First In First Out，FIFO）的数据结构。它基于底层容器（默认是 std::deque，也可以是 std::list 或 std::vector 等）来存储元素，但只允许在容器的一端（队尾）插入元素，在另一端（队首）删除元素。

（二）主要操作

1. 构造和析构
   • 默认构造函数会创建一个空的队列。
   • 析构函数会销毁队列中的所有元素。
2. 元素访问
   • front()：返回队首元素的引用。如果队列为空，调用 front() 是未定义行为。
   • back()：返回队尾元素的引用。如果队列为空，调用 back() 是未定义行为。
3. 容量
   • empty()：检查队列是否为空，如果为空返回 true，否则返回 false。
   • size()：返回队列中元素的数量。
4. 修改器
   • push(const T& value)：将一个新元素插入到队尾。
   • pop()：移除队首元素。注意，pop() 不返回被移除的元素，如果队列为空，调用 pop() 是未定义行为。
   • emplace(Args&&... args)：在队尾构造一个新元素，避免了额外的拷贝或移动操作。

（三）底层容器

queue 的底层容器默认是 std::deque，但可以通过模板参数指定其他容器，如 std::list 或 std::vector。底层容器的选择会影响 queue 的性能和内存使用方式。

二、C++ Queue 的使用

（一）包含头文件

在使用 queue 之前，需要包含头文件 <queue>：

#include <queue>

（二）基本操作示例

#include <iostream>
#include <queue>int main() {// 创建一个空的队列std::queue<int> myqueue;// 向队列中插入元素myqueue.push(10);myqueue.push(20);myqueue.push(30);// 访问队首元素std::cout << "队首元素是: " << myqueue.front() << std::endl;// 访问队尾元素std::cout << "队尾元素是: " << myqueue.back() << std::endl;// 检查队列是否为空std::cout << "队列是否为空: " << (myqueue.empty() ? "是" : "否") << std::endl;// 输出队列的大小std::cout << "队列的大小是: " << myqueue.size() << std::endl;// 移除队首元素myqueue.pop();// 再次访问队首元素std::cout << "移除一个元素后，队首元素是: " << myqueue.front() << std::endl;return 0;
}

（三）使用自定义类型

queue 可以存储任何类型的元素，包括自定义类型。自定义类型需要满足底层容器的要求，例如提供默认构造函数、拷贝构造函数等。

#include <iostream>
#include <queue>struct Person {std::string name;int age;Person(const std::string& n, int a) : name(n), age(a) {}
};int main() {std::queue<Person> personQueue;personQueue.push(Person("Alice", 25));personQueue.push(Person("Bob", 30));std::cout << "队首元素是: " << personQueue.front().name << ", 年龄: " << personQueue.front().age << std::endl;return 0;
}

（四）底层容器的选择

可以通过模板参数指定底层容器。例如，使用 std::list 作为底层容器：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <list>int main() {std::queue<int, std::list<int>> myqueue;myqueue.push(10);myqueue.push(20);std::cout << "队首元素是: " << myqueue.front() << std::endl;return 0;
}

不同的底层容器会影响 queue 的性能和内存使用。例如：

• std::deque（默认）：支持快速的插入和删除操作，内存分配相对灵活。
• std::list：支持双向迭代，插入和删除操作非常高效，但访问速度相对较慢。
• std::vector：内存连续，访问速度快，但插入和删除操作可能涉及内存重新分配。

三、C++ Priority Queue（优先队列）

（一）定义

C++ 标准库还提供了 std::priority_queue，它是一种特殊的队列，元素按照优先级顺序排列。默认情况下，优先级最高的元素（最大值）会被优先处理。

（二）主要操作

1. 构造和析构
   • 默认构造函数会创建一个空的优先队列。
   • 析构函数会销毁优先队列中的所有元素。
2. 元素访问
   • top()：返回优先级最高的元素的引用。如果优先队列为空，调用 top() 是未定义行为。
3. 容量
   • empty()：检查优先队列是否为空，如果为空返回 true，否则返回 false。
   • size()：返回优先队列中元素的数量。
4. 修改器
   • push(const T& value)：将一个新元素插入到优先队列中，并根据优先级重新排序。
   • pop()：移除优先级最高的元素。注意，pop() 不返回被移除的元素，如果优先队列为空，调用 pop() 是未定义行为。

（三）自定义优先级

可以通过提供自定义比较函数来改变优先级的定义。例如，使用小顶堆（优先级最低的元素优先）：

#include <iostream>
#include <queue>
#include <functional> // for std::greaterint main() {// 默认是大顶堆（优先级最高的元素优先）std::priority_queue<int> maxHeap;maxHeap.push(10);maxHeap.push(20);maxHeap.push(30);std::cout << "优先级最高的元素是: " << maxHeap.top() << std::endl;// 自定义小顶堆（优先级最低的元素优先）std::priority_queue<int, std::vector<int>, std::greater<int>> minHeap;minHeap.push(10);minHeap.push(20);minHeap.push(30);std::cout << "优先级最低的元素是: " << minHeap.top() << std::endl;return 0;
}

deque简要介绍

std::deque（双端队列，发音为“deck”）是 C++ 标准模板库（STL）中的一种序列容器，它结合了栈和队列的特性，支持在两端（队首和队尾）高效地插入和删除元素。deque 提供了灵活的元素管理方式，同时保持了相对高效的随机访问能力。

特点

1. 两端操作高效
   • 在队首和队尾插入或删除元素的时间复杂度为 O(1)，这使得 deque 非常适合需要在两端频繁操作的场景。
2. 支持随机访问
   • 提供了类似数组的随机访问能力，通过下标或迭代器可以快速访问任意位置的元素，时间复杂度为 O(1)。
3. 动态扩展
   • 内部实现为分段连续内存块，可以根据需要动态扩展，支持任意大小的元素存储。
4. 内存不连续
   • 内部存储是分段的，内存块之间通过指针连接，因此内存不连续。这使得 deque 在某些操作上不如 std::vector 那么高效，但提供了更大的灵活性。

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：

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：

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

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()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。