C++ STL中的容器適配器實現

1 stack

1.1 stack 介紹

  •  stack是一種容器適配器,專門用在具有後進先出操作的上下文環境中,其刪除隻能從容器的一端進行元素的插入與提取操作。
  • stack是作為容器適配器被實現的,容器適配器即是對特定類封裝作為其底層的容器,並提供一組特定的成員函數來訪問其元素,將特定類作為其底層的,元素特定容器的尾部(即棧頂)被壓入和彈出。
  • stack的底層容器可以是任何標準的容器類模板或者一些其他特定的容器類,這些容器類應該支持以下操作:empty:判空操作、back:獲取尾部元素操作、push_back:尾部插入元素操作、pop_back:尾部刪除元素操作
  • 標準容器vector、deque、list均符合這些需求,默認情況下,如果沒有為stack指定特定的底層容器,默認情況下使用deque。

在這裡插入圖片描述

1.2 stack 使用

接口說明

在這裡插入圖片描述

1.3 stack 模擬實現

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

1.4 deque 的簡單介紹

原理

1、deque(雙端隊列):是一種雙開口的”連續”空間的數據結構,註意和 queue 沒有關系雙開口的含義是:可以在頭尾兩端進行插入和刪除操作,且時間復雜度為O(1),與vector比較,頭插效率高,不需要搬移元素;與list比較,空間利用率比較高。
2、deque並不是真正連續的空間,而是由一段段連續的小空間拼接而成的,實際deque類似於一個動態的二維數組

在這裡插入圖片描述

3、雙端隊列底層是一段假象的連續空間,實際是分段連續的,為瞭維護其“整體連續”以及隨機訪問的假象,落在瞭deque的迭代器身上,因此deque的迭代器設計就比較復雜,如下圖所示:

在這裡插入圖片描述

缺陷

與vector比較,deque的優勢是:頭部插入和刪除時,不需要搬移元素,效率特別高,而且在擴容時,也不需要搬移大量的元素,因此其效率是比 vector 高的。

與list比較,其底層是連續空間,空間利用率比較高,不需要存儲額外字段。

但是,deque有一個致命缺陷:不適合遍歷,因為在遍歷時,deque的迭代器要頻繁的去檢測其是否移動到某段小空間的邊界,導致效率低下,而序列式場景中,可能需要經常遍歷,因此在實際中,需要線性結構時,大多數情況下優先考慮vector和list,deque的應用並不多,而目前能看到的一個應用就是,STL用其作為stack和queue的底層數據結構。

為何作為stack 和 queue的 默認 實現

stack是一種後進先出的特殊線性數據結構,因此隻要具有push_back()pop_back()操作的線性結構,都可以作為stack的底層容器,比如vector和list都可以;queue是先進先出的特殊線性數據結構,隻要具有push_backpop_front操作的線性結構,都可以作為queue的底層容器,比如list。

但是STL中對stack和queue默認選擇deque作為其底層容器,主要是因為:

stack 和 queue 不需要遍歷(因此stack 和 queue沒有迭代器),隻需要在固定的一段或者兩端進行操作。

在 stack 中元素增長時,deque 比 vector 的效率高(擴容時候不需要搬移大量數據);queue 中的元素增長時,deque 不僅效率高,而且內存使用率也高。

所以結合瞭deque的優點,完美遞避開瞭其缺陷

2 queue

2.1 queue 介紹

  •  隊列是一種容器適配器,專門用於在FIFO上下文(先進先出)中操作,其中從容器一端插入元素,另一端提取元素。
  • 隊列作為容器適配器實現,容器適配器即將特定容器類封裝作為其底層容器類,queue提供一組特定的成員函數來訪問其元素。元素從隊尾入隊列,從隊頭出隊列。
  • 底層容器可以是標準容器類模板之一,也可以是其他專門設計的容器類。該底層容器應至少支持以下操作: empty:檢測隊列是否為空、size:返回隊列中有效元素的個數、front:返回隊頭元素的引用、back:返回隊尾元素的引用、push_back:在隊列尾部入隊列、pop_front:在隊列頭部出隊列
  • 標準容器類deque和list滿足瞭這些要求。默認情況下,如果沒有為queue實例化指定容器類,則使用標準容器deque。

2.2 queue 使用

接口介紹

在這裡插入圖片描述

2.3 queue 模擬實現

因為queue的接口中存在頭刪和尾插,因此使用vector來封裝效率太低,故可以借助list 和 deque 來模擬實現queue

namespace czh
{
	// 設計模式 -- 適配器模式(配接器)
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
        T& front()
		{
			return _con.front();
		}
		const T& front() const
		{
			return _con.front();
		}
		T& back()
		{
			return _con.back();
		}
		const T& back() const
		{
			return _con.back();
		}

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

3 priority_queue

3.1 priority_queue 介紹

優先級隊列是一種容器適配器,根據嚴格的弱排序標準,它的第一個元素總是它所包含的元素中最大的那一個。
內部實現其實是堆,在堆中可以隨時插入元素,並且隻能檢索最大堆元素(優先級隊列中位於頂部的元素)。
底層容器可以是任何標準容器類模板,也可以是其他特定設計的容器類。容器應該可以通過隨機訪問迭代器訪問,並支持以下操作:empty():檢測容器是否為空、size():返回容器中有效元素個數、front():返回容器中第一個元素的引用、push_back():在容器尾部插入元素、pop_back():刪除容器尾部元素
標準容器類vector和deque滿足這些需求。默認情況下,如果沒有為特定的priority_queue類實例化指定容器類,則使用vector。
需要支持隨機訪問迭代器,以便始終在內部保持堆結構。容器適配器通過在需要時自動調用算法函數,make_heap、push_heap和pop_heap來自動完成此操作。

3.2 priority_queue 使用

優先級隊列默認使用 vector 作為其底層存儲數據的容器,在 vector 上又使用瞭堆算法將 vector 中元素構成堆的結構,因此 priority_queue 就是堆,所以所有需要用到堆的位置,都可以考慮使用priority_queue。註意:默認priority_queue 是大堆。通過仿函數可以改變其為小堆。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的頭文件
void TestPriorityQueue()
{
 // 默認情況下,創建的是大堆,其底層按照小於號比較
 vector<int> v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
 priority_queue<int> q1;
 for (auto& e : v)
 q1.push(e);
 cout << q1.top() << endl;
 // 如果要創建小堆,將第三個模板參數換成greater比較方式
 priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
 cout << q2.top() << endl; 
 
 }

3.3 仿函數的引入

仿函數準確來說是一個類,這個類重載瞭operator(),這個類的對象調用 operator(),可以像函數一樣去使用,在優先級隊列中的使用可以控制創建的優先級隊列中是大堆還是小堆使其可以像水龍頭的開關一樣可以去控制熱水還是涼水。在 STL庫中中的兩個仿函數的實現如下:

STL 中的優先級隊列

在這裡插入圖片描述

在這裡插入圖片描述

在這裡插入圖片描述

舉例說明仿函數的應用

比如我們想買個手機,在京東上搜索手機,可以按照價格、銷量等標簽排序,那麼我們可以利用仿函數簡單實現,寫一個商品類代表手機我們用排序算法 sort 對其排序,但是我們不可以在類的內部重載 > < 運算符,因為我們並不知道如何排序,按照什麼標準排序,為瞭更好說明問題,來盤代碼。

在這裡插入圖片描述

#include <iostream>
#include "priority_queue.h"
#include <algorithm>
#include <vector>

using namespace std;

//仿函數的應用
struct Phone{
	int saleNum;
	int price;
	//.....
};
struct LessPhonePrice{
	bool operator()(const Phone& p1, const Phone& p2)
	{
		return p1.price < p2.price;
	}
};
struct LessPhoneSaleNum{
	bool operator()(const Phone& p1, const Phone& p2)
	{
		return p1.saleNum < p2.saleNum;
	}
};
void TestSort()
{
	vector <Phone> gv = { { 1, 3 }, { 5, 2 }, { 2, 10 } };
	sort(gv.begin(), gv.end(),LessPhoneSaleNum());//匿名對象會在STL中調用我自己寫的比較方法
	sort(gv.begin(), gv.end(), LessPhonePrice());

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

在這裡插入圖片描述

在這裡插入圖片描述

3.4 priority_queue 模擬實現

因為優先級隊列的底層結構就是堆所以對 vector 進行適當封裝就可以瞭,如果不知道堆的知識請參考我的另外一篇文章 https://www.jb51.net/article/210171.htm

#pragma once

//仿函數
template<class T>
class Less{
public:
	bool operator()(const T& t1, const T& t2) const
	{
		return t1 < t2;
	}
};

template<class T>
class Greater{
public:
	bool operator()(const T& t1, const T& t2) const
	{
		return t1 > t2;
	}
};
namespace czh{

	template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = Greater<T>>
	class priority_queue {

	public:
		priority_queue() = default;
		/*priority_queue()
		{}*/

		template<class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
			:_con(first, last)
		{
			//利用向下調整算法,從下到上建堆
			/*for (int i = (_con.size() - 2) / 2; i >= 0; i--)
			{
			AdjustDown(i);
			}*/
			利用向上調整算法,從上到下調整
			for (size_t i = 1; i < _con.size(); i++)
			{
				AdjustUp(i);
			}
		}
		void push(const T& data)
		{
			_con.push_back(data);
			// 向上調整
			AdjustUp(_con.size() - 1);
		}
		void pop()
		{
			if (empty()) return;

			swap(_con.front(),_con.back());
			_con.pop_back();
			AdjustDown(0);
		}
		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
		const T& top() const
		{ 
			return _con.front();
		}
		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		//向上調整算法
		void AdjustUp(int child)
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) >> 1;
			while (child > 0)
			{
				/*if (_con[child] > _con[parent])*/
				if (com(_con[child], _con[parent]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) >> 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void AdjustDown(int parent)
		{
			Compare com;
			size_t child = 2 * parent + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				/*if (child + 1 < _con.size() && _con[child + 1] < _con[child])*/
				if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child + 1], _con[child]))
				{
					child++;
				}
				/*if (_con[child] > _con[parent])*/
				if (com(_con[child], _con[parent]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					parent = child;
					child = 2 * parent + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		//向下調整算法
		Container _con;
	};
}

4 容器適配器模式

適配器是一種設計模式(設計模式是一套被反復使用的、多數人知曉的、經過分類編目的、代碼設計經驗的總結),該種模式是將一個類的接口轉換成客戶希望的另外一個接口。
上面介紹的3種數據結構都是容器適配器(container adapter)。

在這裡插入圖片描述

在這裡插入圖片描述

在這裡插入圖片描述

到此這篇關於C++ STL中的容器適配器實現的文章就介紹到這瞭,更多相關C++ STL容器適配器內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet!