【C++ STL 库】解析stack、queue、priority_queue类
目录
引言
一、stack 类解析
1. 基本概念
2. 常用接口
3. 自我实现代码解析
二、queue 类解析
1. 基本概念
2. 常用接口
3. 自我实现代码解析
三、priority_queue 类解析
1. 基本概念
2. 常用接口
3. 自我实现代码解析
四、总结
引言
在 C++ 编程中，stack、queue和priority_queue作为 STL 提供的三种容器适配器，以简洁优雅的方式满足了不同场景下的数据处理需求。当你需要实现如函数调用栈、表达式求值等后进先出（LIFO）逻辑时，stack会是你的得力助手；若遇到模拟排队系统、消息传递队列等先进先出（FIFO）场景，queue能让你的代码清晰高效；而在任务调度、路径规划等需要根据优先级处理元素的场景中，priority_queue通过堆结构自动维护元素优先级，让复杂的排序逻辑变得简单透明。这三种适配器就像三把精密的工具，各自解决特定类型的问题，帮助开发者更专注于业务逻辑而非数据结构的底层实现。接下来，让我们深入了解它们的内部机制与实现细节。
一、stack 类解析
1. 基本概念
stack 是一种后进先出（LIFO）的数据结构，它只允许在栈顶进行插入和删除操作。在 C++ STL 中，stack 是一种适配器容器，默认基于 deque 实现。
2. 常用接口
push(): 向栈顶添加元素pop(): 删除栈顶元素top(): 返回栈顶元素的引用empty(): 判断栈是否为空size(): 返回栈中元素的个数
3. 自我实现代码解析
以下是 stack 类的简化自我实现：
pragma once
#include <deque>namespace lmr
{using namespace std;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() const{return _con.back();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:Container _con;};
}代码解析：
- 模板参数： 第一个模板参数 T 是元素类型，第二个模板参数 Container 是底层容器类型，默认使用 deque。
- 底层容器： 使用成员变量 _con 存储数据，通过调用底层容器的接口实现 stack 的功能。
- 接口实现： 所有操作都是基于底层容器的尾部操作，确保符合栈的 LIFO （先进后出）特性。
二、queue 类解析
1. 基本概念
queue 是一种先进先出（FIFO）的数据结构，它允许在队尾插入元素，在队头删除元素。在 C++ STL 中，queue 也是一种适配器容器，默认基于 deque 实现。
2. 常用接口
push(): 向队尾添加元素pop(): 删除队头元素front(): 返回队头元素的引用back(): 返回队尾元素的引用empty(): 判断队列是否为空size(): 返回队列中元素的个数
3. 自我实现代码解析
以下是 queue 类的简化自我实现：
#pragma once
#include <vector>
#include <list>
#include <iostream>
#include <deque>namespace lmr
{using namespace std;template < class T, class Container = deque <T> >class queue{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_front();}const T& back() const{return _con.back();}const T& front() const{return _con.front();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:Container _con;};
}代码解析：
- 模板参数： 与 stack 类似，支持自定义底层容器，默认使用 deque。
- 底层容器： 使用 deque 的
push_back()和pop_front()方法实现 FIFO（先进先出）特性。 - 接口实现： 通过 front () 访问队头元素，通过 back () 访问队尾元素，入队用 push_back ()，出队用 pop_front ()。
三、priority_queue 类解析
1. 基本概念
priority_queue 是一种优先级队列，它保证队头元素始终是优先级最高的元素。默认情况下，使用元素类型的<运算符确定优先级，较大的元素优先级更高。在 C++ STL 中，priority_queue 基于堆（heap）实现，默认使用 vector 作为底层容器。
2. 常用接口
push(): 插入元素到适当位置pop(): 删除优先级最高的元素top(): 返回优先级最高的元素empty(): 判断队列是否为空size(): 返回队列中元素的个数
3. 自我实现代码解析
以下是 priority_queue 类的简化自我实现：
#pragma once#include <vector>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;}
};namespace lmr
{//默认是大堆template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = Less<T>>class priority_queue{public://向上调整算法void AdjustUp(int child){Compare com;int parent = (child - 1) / 2;while(child > 0){if(com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void push(const T& x){_con.push_back(x);AdjustUp(_con.size() - 1);}//向下调整算法void AdjustDown(int parent){//先假设左孩子小int child = parent*2 + 1;Compare com;while(child < _con.size()){//比较孩子if(child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){child++;}//调整if(com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}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;};
}代码解析：
- 模板参数： 除了元素类型和底层容器外，还支持自定义比较器，默认使用 std::less。这里代码实现了两个自定义比较类Less Greater 重载了operator()，使其对象可以像函数一样使用。所以这类比较类在c++中称为仿函数。
- 底层容器： 使用 vector 存储数据，利用标准库的堆算法维护堆结构。
- 接口实现：
push(): 先将元素添加到容器尾部，再调用push_heap调整堆结构。pop(): 先调用pop_heap将堆顶元素移到容器尾部，再删除尾部元素。top(): 直接返回容器的第一个元素，即堆顶元素。
四、总结
通过自我实现可以看出，STL 中的 stack、queue 和 priority_queue 都是基于其他容器的适配器。它们通过封装底层容器的接口，提供了特定的数据结构功能，既保证了功能的正确性，又提供了灵活性（可自定义底层容器）。理解这些适配器的实现原理，有助于我们更好地使用它们，并且在需要时能够自己实现类似的数据结构。