C++——容器适配器

1. 什么是适配器？

容器适配器是C++标准库中的一种数据结构，它可以将不同类型的容器（如vector、list、deque等）转换为另一种类型的容器。容器适配器提供了一种简单的方式来重新组织和访问数据，同时隐藏了底层容器的实现细节。它们通常用于解决特定的问题或满足特定的需求。

容器适配器有三种常见的类型：栈（stack）、队列（queue）和优先队列

栈（stack）：栈是一种后进先出（LIFO）的数据结构，类似于现实生活中的一叠盘子。栈容器适配器提供了push、pop、top等操作，可以方便地在栈顶插入和删除元素。
队列（queue）：队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，类似于现实生活中的排队。队列容器适配器提供了push、pop、front等操作，可以方便地在队列尾部插入元素，在队列头部删除元素。
优先队列（priority_queue）：优先队列是一种具有优先级的队列，每次取出的元素都是当前队列中优先级最高的元素。优先队列容器适配器提供了push、pop、top等操作，可以方便地插入和删除元素，并且保证每次取出的元素都是最大或最小的。

2. 容器适配器的作用

改变容器的接口
增加容器的功能
限制容器的功能

3. 常见的容器适配

3.1 栈（stack）

3.1.1 概念

栈（stack）是一种常见的容器适配器，它遵循“后进先出”（Last-In-First-Out，LIFO）的原则。栈只允许在末尾进行插入和删除操作，即只能在栈顶进行入栈和出栈操作。

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3.1.2 基本操作

操作	功能
empty	判空操作
back	获取尾部元素操作
push_back	尾部插入元素操作
pop_back	尾部删除元素操作

3.1.3 stack的使用

函数说明	接口说明
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

3.1.4 stack的模拟实现

#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace bite
{template<class T>class stack{public://构造函数stack() {}//入栈void push(const T& x) {_c.push_back(x); }//出栈void pop() {_c.pop_back(); }//返回栈顶元素T& top() {return _c.back(); }//返回栈顶元素的const版本const T& top()const {return _c.back(); }//大小size_t size()const {return _c.size(); }//判断是否为空bool empty()const {return _c.empty(); }private:std::vector<T> _c;};
}
int main()
{bite::stack<int> mystack;mystack.push(1);mystack.push(2);mystack.push(3);mystack.push(4);mystack.push(5);if (!mystack.empty()){cout << "栈大小：" << mystack.size() << endl;cout << "栈顶元素：" << mystack.top() << endl;}mystack.pop();if (!mystack.empty()){cout << "栈大小：" << mystack.size() << endl;cout << "栈顶元素：" << mystack.top() << endl;}}

3.2 队列（queue）

队列是一种常见的容器适配器，它遵循先进先出（FIFO）的原则。在队列中，元素被添加到末尾，被移除时从头部开始。队列适配器提供了一些常用的操作，如入队（enqueue）和出队（dequeue）。

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3.2.1 基本操作

操作	功能
empty	检队列是否为空
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	在队列尾部队列
pop_front	在队列头部出队列

3.2.2 queue的使用

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()	返回头元素的引用
back()	返回尾元素的引用
push()	将队尾元素val入栈
pop()	将头元素出队列

3.2.3 queue的模拟实现

#include<list>
#include<iostream>
using namespace std;
namespace bite
{template<class T>class queue{public://默认构造函数，用于初始化一个新的queue对象queue(){}//入队操作，将元素x添加到队列的末尾void push(const T& x){_c.push_back(x);}//出队操作，移除队列的第一个元素void pop(){_c.pop_front();}//返回队列最后一个元素的引用，允许修改T& back(){return _c.back();}//返回队列最后一个元素的引用，不允许修改const T& back() const{return _c.back();}//返回队列第一个元素的引用，允许修改T& front(){return _c.front();}//返回队列第一个元素的引用，不允许修改const T& front() const{return _c.front();}//返回队列中元素的个数size_t size() const{return _c.size();}//判断队列是否为空bool empty() const{return _c.empty();}private://用于存储队列中的元素list<int> _c;};
}
int main()
{bite::queue<int> myqueue;myqueue.push(1);myqueue.push(2);myqueue.push(3);myqueue.push(4);myqueue.push(5);if (!myqueue.empty()){cout << "队列大小：" << myqueue.size() << endl;cout << "队列第一个元素：" << myqueue.front() << endl;cout << "队列最后一个元素：" << myqueue.back() << endl;}myqueue.pop();if (!myqueue.empty()){cout << "队列大小：" << myqueue.size() << endl;cout << "队列第一个元素：" << myqueue.front() << endl;cout << "队列最后一个元素：" << myqueue.back() << endl;}return 0;
}

3.3 优先队列（priority_queue）

3.3.1 概述

优先队列是一种特殊的队列，其中的元素按照一定的优先级进行排序。在优先队列中，每个元素都有一个与之关联的优先级，具有较高优先级的元素会被优先处理。优先队列通常使用堆数据结构来实现，因为堆能够在插入和删除元素时保持元素的有序性。

3.3.2 基本操作

操作	功能
push	将一个元素插入到优先级队列中，插入的元素会根据其优先级被放置到合适的位置上
pop	移除优先队列中具有最高优先级的元素
top	获取优先队列中具有最高优先级的元素，但不会将其从队列中移除
empty	检查优先队列是否为空

3.3.3 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。

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

3.3.4 实现方式

优先队列可以通过堆来实现，常见的堆有大堆和小堆。大堆中，根节点的值最大，每个节点的值都大于或等于其子节点的值；小堆中，根节点的值最小，每个节点的值都小于或等于其子节点的值。优先队列可以根据元素的优先级来构建最大堆或最小堆

3.3.5 基本操作和时间复杂度

操作	时间复杂度
插入元素	O(long n)
删除元素	O(long n)
获取元素首元素	O(1)
判断队列是否为空	O(1)

3.3.6 priority_queue的模拟实现

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>
// priority_queue--->堆
namespace bite
{template<class T>struct less{bool operator()(const T& left, const T& right){return left < right;}};template<class T>struct greater{bool operator()(const T& left, const T& right){return left > right;}};template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{public:// 创造空的优先级队列priority_queue() : c() {}template<class Iterator>priority_queue(Iterator first, Iterator last): c(first, last){// 将c中的元素调整成堆的结构int count = c.size();int root = ((count - 2) >> 1);for (; root >= 0; root--)AdjustDown(root);}void push(const T& data){c.push_back(data);AdjustUP(c.size() - 1);}void pop(){if (empty())return;swap(c.front(), c.back());c.pop_back();AdjustDown(0);}size_t size()const{return c.size();}bool empty()const{return c.empty();}// 堆顶元素不允许修改，因为：堆顶元素修改可以会破坏堆的特性const T& top()const{return c.front();}private:// 向上调整void AdjustUP(int child){int parent = ((child - 1) >> 1);while (child){if (Compare()(c[parent], c[child])){swap(c[child], c[parent]);child = parent;parent = ((child - 1) >> 1);}else{return;}}}// 向下调整void AdjustDown(int parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child < c.size()){// 找以parent为根的较大的孩子if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))child += 1;// 检测双亲是否满足情况if (Compare()(c[parent], c[child])){swap(c[child], c[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}elsereturn;}}private:Container c;};
}void TestQueuePriority()
{bite::priority_queue<int> q1;q1.push(5);q1.push(1);q1.push(4);q1.push(2);q1.push(3);q1.push(6);cout << q1.top() << endl;q1.pop();q1.pop();cout << q1.top() << endl;vector<int> v{ 5,1,4,2,3,6 };bite::priority_queue<int, vector<int>, bite::greater<int>> q2(v.begin(), v.end());cout << q2.top() << endl;q2.pop();q2.pop();cout << q2.top() << endl;
}