C++详解：stack和queue

程序leo源

783人浏览 · 2025-11-09 21:27:36

程序leo源 · 2025-11-09 21:27:36 发布

在这里插入图片描述

一.stack的使用

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

在这里插入图片描述

二.stack的模拟实现

#pragma once
#include<vector>
#include<list>

namespace Lee
{
	template<class T,class Container = vector<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}

		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

在这里插入图片描述

三.queue的介绍

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。
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。
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

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。

在这里插入图片描述

四.queue的使用

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

五.queue的模拟实现

因为queue的接口中存在头删和尾插，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：

#pragma once
#include<vector>
#include<list>

namespace Lee
{
	template<class T, class Container = list<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}

		const T& back()
		{
			return _con.back();
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

在这里插入图片描述

六.priority_queue的介绍

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。
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)。
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。
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

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。
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。

七.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。

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

在这里插入图片描述
注意：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。

STL里面没有堆，但是algorithm里面有
在这里插入图片描述

八.priority_queue的模拟实现

通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对对进行通用的封装即可。

#pragma once
#include<vector>

namespace Lee
{

	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:

		void adjust_up(size_t child)
		{
			Compare com;
			size_t 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;
				}
			}
		}

		void adjust_down(size_t parent)
		{
			Compare com;
			size_t n = _con.size();
			size_t child = 2 * parent + 1;
			while (child < n)
			{
				if (child + 1 < n && com(_con[child], _con[child + 1])) child = child + 1;

				if (com(_con[parent],_con[child]))
				{
					swap(_con[parent], _con[child]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}

		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			adjust_up(_con.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			adjust_down(0);
		}

		const T& top()
		{
			return _con[0];
		}

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

九.容器适配器

9.1 什么是适配器？

适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、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外一个接口。

在这里插入图片描述

9.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

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，比如：

在这里插入图片描述

9.3 deque介绍

在这里插入图片描述

接口
在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

在这里插入图片描述

下标随机访问的方式.：
i/buffsize 第几个buff
i%buffsize 在这个buff的第几个

9.4 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。

总结：
1、头尾插入删除放率很高，优于vector和i5t
2、下标随机访问还行，略逊于vector
3、insert和erase效率很差

deque的[]访问数据效率与vector相比，在大量的数据下，大量的随机访问vector还是跟更快一些。

在这里插入图片描述

9.5 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：