stack和queue的模拟实现

1. 容器适配器

1.1 什么是适配器

适配器是一种计划模式(计划模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目标、代码计划经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户渴望的另外一个接口。

1.2 STL尺度库中stack和queue的底层结构

固然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其分别在容器的行列，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：

2 deque的简朴先容(相识)

2.1 deque的原理先容

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比力，头插效率高，不需要搬移元素；与list比力，空间利用率比力高。

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“团体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器计划就比力复杂，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？

2.2 deque的缺陷

与vector比力，deque的上风是：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比力，其底层是连续空间，空间利用率比力高，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的迭代器要频仍的去检测其是否移动到某段小空间的界限，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，大多数情况下优先思量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。
2.3 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：

• 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。
  
• 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，而完善的避开了其缺陷。
  

2. stack的先容和使用

2.1 stack的先容

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素服从后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。
压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶。
出栈：栈的删除操作叫做出栈。出数据也在栈顶。

接口先容：

2.2 stack的模拟实现

从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack，但是假如我们渴望用其它容器来实现栈就无法实现，以是我们可以把容器的类型定义成一个模板参数，需要用什么容器的类型，就传对应的类型参数，同时为了方便假如不想传对应的参数，可以把容器类型模板参数设置为deque<T>。

1. namespace hb
2. {
3.         template<class T,class Container = deque<T>>
4.         class stack
5.         {
6.         public:
9.                 void push(const T& x )
10.                 {
11.                         _con.push_back(x);
12.                 }
14.                 void pop()
15.                 {
16.                         _con.pop_back();
17.                 }
19.                 const T& top()
20.                 {
21.                         return _con.back();
22.                 }
24.                 bool empty()
25.                 {
26.                         return _con.empty();
27.                 }
29.                 size_t size()
30.                 {
31.                         return _con.size();
32.                 }
33.         private:
34.                 Container _con;
35.         };
36. }

复制代码

3. queue的先容和使用

3.1 queue的先容

• 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，此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。
  
• 底层容器可以是尺度容器类模板之一，也可以是其他专门计划的容器类。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
  
• 尺度容器类deque和list满意了这些要求。默认情况下，假如没有为queue实例化指定容器类，则使用尺度容器deque。
  

入队列：进行插入操作的一端称为队尾
出队列：进行删除操作的一端称为队头
如图所示：

3.2 queue的模拟实现

1. namespace hb
2. {
3.         template <class T,class Container = deque<T>>
4.         class queue
5.         {
6.         public:
7.                 void push(const T& x)
8.                 {
9.                         _con.push_back(x);
10.                 }
12.                 void pop()
13.                 {
14.                         _con.pop_front();
15.                 }
17.                 bool empty()
18.                 {
19.                         return _con.empty();
20.                 }
22.                 const T& front()
23.                 {
24.                         return _con.front();
25.                 }
27.                 const T& back()
28.                 {
29.                         return _con.back();
30.                 }
32.                 size_t size()
33.                 {
34.                         return _con.size();
35.                 }
36.         private:
37.                 Container _con;
38.         };
39. }

复制代码

4. 代码测试

4.1 stack测试

1. int main()
2. {
3.         hb::stack<int,list<int>> st;
4.         st.push(1);
5.         st.push(2);
6.         st.push(3);
7.         st.push(4);
9.         while (!st.empty())
10.         {
11.                 cout << st.top() << " ";
12.                 st.pop();
13.         }
14.         cout << endl;
15. }

复制代码

运行结果如图：

4.2 queue测试

1. int main()
2. {
3.                 hb::queue<int,list<int>> q;
4.         q.push(1);
5.         q.push(2);
6.         q.push(3);
7.         q.push(4);
9.         while (!q.empty())
10.         {
11.                 cout << q.front() << " ";
12.                 q.pop();
13.         }
14.         cout << endl;
15. }

复制代码

运行结果如图：

5. OJ题目

1. class MinStack {
2. public:
3.     MinStack() {
5.     }
6.    
7.     void push(int val) {
8.         _st.push(val);
10.         if (_minst.empty() || val <_minst.top()._val)
11.         {
12.             _minst.push({val,1});
13.         }
14.         else if (val == _minst.top()._val)
15.         {
16.             _minst.top()._count++;
17.         }
18.     }
19.    
20.     void pop() {
21.         if (_minst.top()._val == _st.top())
22.         {
23.             if ( _minst.top()._count == 1)
24.             {
25.                 _minst.pop();
26.             }
27.             else{
28.                 _minst.top()._count--;
29.             }
30.         }
32.         _st.pop();
33.     }
34.    
35.     int top() {
36.         return _st.top();
37.     }
38.    
39.     int getMin() {
40.         return _minst.top()._val;
41.     }
43.     stack<int> _st;
44.     struct Data
45.     {
46.         int _val;
47.         int _count;
48.     };
50.     stack<Data> _minst;
51. };

复制代码

1. class MyQueue {
2. public:
3.     stack<int> pushst;
4.     stack<int> popst;
5.    
6.     void push(int x) {
7.        pushst.push(x);
8.     }
9.    
10.     int pop() {
12.     int top = peek();
14.     popst.pop();
16.     return top;
18.     }
19.    
20.     int peek() {
21.     if (popst.empty())
22.     {
23.         while (!pushst.empty())
24.         {
25.             popst.push(pushst.top());
26.             pushst.pop();
27.         }
28.     }
31.         return popst.top();
32.     }
33.    
34.     bool empty() {
35.         return pushst.empty() && popst.empty();
36.     }
37. };

复制代码

1. class MyStack {
2. public:
3.     queue<int> q1;
4.     queue<int> q2;
6.     void push(int x) {
7.         if (q1.empty())
8.         {
9.             swap(q1,q2);
10.         }
12.         q1.push(x);
13.     }
14.    
15.     int pop() {
16.         if (q1.empty())
17.         {
18.             swap(q1,q2);
19.         }
21.         while (q1.size() > 1)
22.         {
23.             q2.push(q1.front());
25.             q1.pop();
26.         }
28.         int top = q1.front();
30.         q1.pop();
32.         return top;
33.     }
34.    
35.     int top() {
36.         if (q1.empty())
37.         {
38.             swap(q1,q2);
39.         }
41.         return q1.back();
42.     }
43.    
44.     bool empty() {
45.        return q1.empty() && q2.empty();
46.     }
47. };

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