C++STL库中queue

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文章目录

• queue的介绍
• queue的常用接口
• queue的模拟实现
• priority_queue的介绍
• priority_queue的常用接口
• priority_queue的模拟实现
• 容器适配器
• deque的介绍
• 仿函数

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一、queue的介绍

• 1. 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。
• 2. 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。
• 3. 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
• 4. 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。

二、queue的常用接口

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

swap()                                                                                交换两个容器内容 

 相关接口的演示：

#include <iostream>
#include <queue>

int main()
{
	std::queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);

	while (!q.empty()) {
		std::cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
	return 0;
}

三、queue的模拟实现

#pragma once
namespace Queue
{
	//这里默认是采用deque这种适配器来模拟栈
	template<class T, class Contain = std::deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		/*
		queue()//这里不需要显示写构造函数，因为是自定义类型，直接调用默认构造函数就行
		{}
		*/

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

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

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

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

		void push(const T& val)
		{
			_con.push_back(val);
		}

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

		void swap(queue<T, Contain>& q)
		{
			std::swap(_con, q._con);
		}

	private:
		Contain _con;

	};
}

四、priority_queue的介绍

• 1. 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。
• 2. 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)。
• 3. 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。
• 4. 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

• 5. 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。
• 6. 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。

五、priority_queue的常用接口

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。

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

1. 默认情况下，priority_queue是大堆

#include <iostream>
#include <deque>
#include <queue>
#include "queue.h"
#include <vector>
#include <functional>
#include <functional> // greater算法的头文件

void TestPriorityQueue()
{
	// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
	std::vector<int> v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
	std::priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v)
		q1.push(e);
	std::cout << q1.top() <<std:: endl;
	// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式
	std::priority_queue<int, std::vector<int>, std::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	std::cout << q2.top() << std::endl;
}
int main()
{
	TestPriorityQueue();
	return 0;
}

2.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。

#include <iostream>
#include <deque>
#include <queue>
#include "queue.h"
#include <vector>
#include <functional>
#include <functional> // greater算法的头文件

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}
	bool operator<(const Date& d)const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}
	bool operator>(const Date& d)const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}
	friend std::ostream& operator<<(std::ostream& _cout, const Date& d)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{
	// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
	std::priority_queue<Date> q1;
	q1.push(Date(2018, 10, 29));
	q1.push(Date(2018, 10, 28));
	q1.push(Date(2018, 10, 30));
	std::cout << q1.top() << std::endl;
	// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
	std::priority_queue<Date, std::vector<Date>, std::greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2018, 10, 29));
	q2.push(Date(2018, 10, 28));
	q2.push(Date(2018, 10, 30));
	std::cout << q2.top() << std::endl;
}

int main()
{
	TestPriorityQueue();
	return 0;
}

六、priority_queue的模拟实现

#pragma once
namespace Priority_queue
{
	template<class T>
	struct Less
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T>
	struct Greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};
	template<class T,class Container=std::vector<T>,class Compare=Less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		priority_queue()
		{}
		

		template<class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
		{
			while (first != last) {
				_con.push_back(*first);
				first++;

				int child = _con.size() - 1;
				int parent = (child - 1) / 2;
				for (int i = parent; i >= 0; i--) AdjustDown(i);
			}
		}

		void AdjustUp(size_t child)
		{
			Compare com;

			size_t parent = (child - 1) / 2;
			while (child) {
				if (com(_con[parent], _con[child])) {
					std::swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else break;
			}
		}

		void AdjustDown(size_t parent)
		{
			Compare com;

			size_t 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])) {
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					parent = (child - 1) / 2;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else break;
			}
		}

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

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};

}

七、容器适配器

1.适配器的概念

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。

 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：

 

 

 八、deque的介绍

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。

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 ：

 

2.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。

3. 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。结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。

九、仿函数

1、仿函数的概念

仿函数（functor）又称之为函数对象（function object），实际上就是 重载了()操作符 的 struct或class。由于重载了（）操作符，所以使用他的时候就像在调用函数一样，于是就被称为“仿”函数啦。

2.仿函数写法举例

    template<class T>
	struct Less
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T>
	struct Greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

3.仿函数的类别

在C++ 的functional头文件中，已经为我们提供好了一些仿函数，可以直接使用。

1.算术仿函数

1.plus 计算两数之和

    transform(begin(a), end(a), begin(b), begin(a), plus<int>());

2.minus 两数相减

transform(begin(a), end(a), begin(b), begin(a), minus<int>());

3.multiplies 两数相乘

transform(begin(a), end(a), begin(b), begin(a), multiplies<int>());

4.divides 两数相除

transform(begin(a), end(a), begin(b), begin(a), divides<int>());

5.modules 取模运算

transform(begin(a), end(a), begin(b), begin(a), modulus<int>());

6.negate 相反数

transform(begin(a), end(a), begin(a), negate<int>());

2.关系仿函数

• 1.equal_to 是否相等
• 2.not_equal_to 是否不相等
• 3.greater 大于
• 4.less 小于
• 5.greater_equal 大于等于
• 6.less_equal 小于等于

 3.逻辑仿函数

• 1.logical_and 二元，求&
• 2.logical_or 二元，求|
• 3.logical_not 一元，求！