STL 笔记（三） 容器适配器 stack、queue、priority_queue

栈 stack

栈 stack 是一种先进后出的(First In Last Out, FILO)的数据结构。在 STL中，stack 底层容器默认使用的是deque, 也可以自己指定用 vector 或 list 容器，然后将其接口适配为栈的接口。部分源代码：

// stack source code (部分)
template <class _Tp,
          class _Sequence __STL_DEPENDENT_DEFAULT_TMPL(deque<_Tp>) >
class stack {
public:
  typedef typename _Sequence::value_type      value_type;
  typedef typename _Sequence::size_type       size_type;
  typedef          _Sequence                  container_type;

  typedef typename _Sequence::reference       reference;
  typedef typename _Sequence::const_reference const_reference;
protected:
  _Sequence c;  // 内部维护的容器, 默认 deque
public:
  stack() : c() {}
  explicit stack(const _Sequence& __s) : c(__s) {}

  bool empty() const { return c.empty(); }           // 是否为空
  size_type size() const { return c.size(); }        // 栈的大小
  reference top() { return c.back(); }               // 访问栈顶元素
  const_reference top() const { return c.back(); }   // 访问栈顶元素(只读)
  void push(const value_type& __x) { c.push_back(__x); }  // 入栈
  void pop() { c.pop_back(); }                            // 出栈
};

队列 queue

队列 queue 是一种先进先出(First In First Out, FIFO)的数据结构。在 STL 中，queue 底层容器默认使用 deque, 然后将其接口适配为队列的接口。部分源代码：

// queue source code (部分)
template <class _Tp,
          class _Sequence __STL_DEPENDENT_DEFAULT_TMPL(deque<_Tp>) >
class queue {
public:
  typedef typename _Sequence::value_type      value_type;
  typedef typename _Sequence::size_type       size_type;
  typedef          _Sequence                  container_type;

  typedef typename _Sequence::reference       reference;
  typedef typename _Sequence::const_reference const_reference;
protected:
  _Sequence c;   // 内部维护的容器, 默认 deque
public:
  queue() : c() {}
  explicit queue(const _Sequence& __c) : c(__c) {}

  bool empty() const { return c.empty(); }             // 是否为空
  size_type size() const { return c.size(); }          // 队列大小
  reference front() { return c.front(); }              // 访问队首元素
  const_reference front() const { return c.front(); }  // 访问队首元素(只读)
  reference back() { return c.back(); }                // 访问队尾元素
  const_reference back() const { return c.back(); }    // 访问队尾元素(只读)
  void push(const value_type& __x) { c.push_back(__x); }   // 出队
  void pop() { c.pop_front(); }                            // 入队
};

优先级队列 priority_queue

优先级队列 priority_queue 是一种允许用户以任意顺序将元素放入容器，但是取出元素时一定是从最高优先级的元素开始取出。默认值大的优先级高，priority_queue 默认用 vector 容器维护一个最大堆。

简单介绍一下堆，堆一般是一种隐式表述(implicit representation)，简单的说堆是由另外一种容器(这里就是 vector )实现。二叉堆 binary-heap 是或近似是完全二叉树，一般用数组来存储，因为其按照层序遍历正好和数组一一对应。堆分为两种：

• 当父节点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值时为最大堆
• 当父节点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值时为最小堆

由于堆中的操作都基于父子节点的搜索。如果用数组的话，那么不需要额外的存储空间就可以轻松实现：

• 左子节点标号 = 父节点标号*2+1
• 右子节点标号 = 父节点标号*2+2
• 父节点标号   =（子节点标号-1）/2

另外堆要求数组长度动态，所以用vector实现。部分源代码：

// priority_queue source code (部分)
template <class _Tp,
          class _Sequence __STL_DEPENDENT_DEFAULT_TMPL(vector<_Tp>),
          class _Compare
          __STL_DEPENDENT_DEFAULT_TMPL(less<typename _Sequence::value_type>) >
class priority_queue {
public:
  typedef typename _Sequence::value_type      value_type;
  typedef typename _Sequence::size_type       size_type;
  typedef          _Sequence                  container_type;

  typedef typename _Sequence::reference       reference;
  typedef typename _Sequence::const_reference const_reference;
protected:
  _Sequence c;      // 内部维护容器, 默认 vector
  _Compare comp;    // 优先级决策判别
public:
  priority_queue() : c() {}
  explicit priority_queue(const _Compare& __x) :  c(), comp(__x) {}   //用户可指定自己的优先级决策函数
  priority_queue(const _Compare& __x, const _Sequence& __s)
    : c(__s), comp(__x)
    { make_heap(c.begin(), c.end(), comp); }

  bool empty() const { return c.empty(); }           // 是否为空
  size_type size() const { return c.size(); }        // 队列大小
  const_reference top() const { return c.front(); }  // 访问队首元素(只读，堆顶的元素)
  // 入队
  void push(const value_type& __x) {
    __STL_TRY {
      c.push_back(__x);                    // 先放入 vector c 的尾端
      push_heap(c.begin(), c.end(), comp); // push_heap 泛型算法，元素先插尾端，然后上溯，复杂度为 O(logn)
    }
    __STL_UNWIND(c.clear());
  }
  // 出队
  void pop() {
    __STL_TRY {
      pop_heap(c.begin(), c.end(), comp);
      // (1) 保存 vector 尾部的值到临时变量, ；
      // (2) 将堆顶的值放在 vector 的尾部，堆顶变成空洞节点(空洞对于最大堆可理解为无穷小)；
      // (3) 将堆顶的这个空洞下溯，直到移到最底层，成为叶节点；
      // (4) 将原尾部的值放入到已移到底层的空洞中；
      // (5) 对放入空洞的原尾部值在进行上溯，以维持最大堆特点；
      c.pop_back();        // 重排后，删除 vcetor 中的最后一个元素
    }
    __STL_UNWIND(c.clear());
  }
};