STL之stackqueue篇(上)探索C++ STL中的Queue与Stack——构建数据处理的基础框架
文章目录
- 前言
- 一、stack
- 1.1 定义与基本概念
- 1.2 底层容器
- 1.3 成员函数
- 1.4 使用示例
- 1.5 注意事项
- 1.6 应用场景
- 二、queue
- 2.1 定义与基本概念
- 2.2 底层容器
- 2.3 成员函数
- 2.4 使用示例
- 2.5 注意事项
- 2.6 应用场景
前言
本文旨在深入探讨C++ STL中的queue与stack容器,从它们的基本概念、底层实现、成员函数到应用场景,全方位解析这两个容器的魅力所在。我们将通过生动的示例和详细的解释,帮助读者理解queue与stack的工作原理,掌握它们的使用方法,并启发读者在实际编程中灵活运用这两个容器,解决复杂的数据处理问题。
无论你是C++编程的初学者,还是有一定经验的开发者,本文都将为你提供一个全面、深入的视角,让你在数据结构的海洋中,找到属于自己的导航灯塔。让我们一起踏上这段探索之旅,共同领略queue与stack带来的编程魅力吧!
一、stack
1.1 定义与基本概念
stack
是C++ STL中的一个容器适配器,它提供了一种后进先出(LIFO, Last In First Out)的数据结构。作为容器适配器,stack
是对特定容器类进行封装,并提供了一组特定的成员函数来访问其元素。这些元素只能被添加(push)到容器的“顶部”,也只能从“顶部”移除(pop)。
1.2 底层容器
stack
的底层容器可以是任何支持以下操作的容器类模板:
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。
标准容器vector
、deque
、list
均符合这些需求。默认情况下,如果没有为stack
指定特定的底层容器,它将使用deque
。
1.3 成员函数
stack
提供了以下常用的成员函数:
push(const T& x)
:向栈顶添加一个元素。pop()
:移除栈顶元素。top()
:返回栈顶元素的引用。empty()
:检查栈是否为空。size()
:返回栈中元素的数量。
1.4 使用示例
以下是一个简单的使用stack
的示例:
#include <iostream>
#include <stack> int main() { std::stack<int> myStack; // 向栈中添加元素 myStack.push(10); myStack.push(20); myStack.push(30); // 访问栈顶元素 std::cout << "栈顶元素: " << myStack.top() << std::endl; // 输出 30 // 移除栈顶元素 myStack.pop(); std::cout << "出栈后栈顶元素: " << myStack.top() << std::endl; // 输出 20 // 检查栈是否为空 if (myStack.empty()) { std::cout << "栈为空" << std::endl; } else { std::cout << "栈不为空" << std::endl; // 输出这个 } // 获取栈的大小 std::cout << "栈的大小: " << myStack.size() << std::endl; // 输出 2 return 0;
}
1.5 注意事项
- 栈顶元素访问:使用
top()
函数可以访问栈顶元素,但该函数不删除栈顶元素。如果栈为空,调用top()
函数将导致未定义行为。 - 栈的修改:
push()
函数用于向栈中添加元素,而pop()
函数用于移除栈顶元素。这两个函数都修改了栈的内容。 - 异常安全性:STL中的
stack
容器是异常安全的。如果在添加或删除元素时发生异常,stack
将保持其有效性。 - 内存管理:默认情况下,
stack
使用deque
作为其底层容器,因此其内存管理策略与deque
相同。如果需要自定义内存管理策略,可以使用自定义的分配器。
1.6 应用场景
stack
容器在以下场景中非常有用:
- 函数调用栈:在编译器和操作系统中,函数调用栈用于存储函数调用信息,包括参数、局部变量和返回地址。
- 表达式求值:在编译器中,可以使用栈来求值后缀表达式(逆波兰表示法)。
- 深度优先搜索(DFS):在算法和数据结构中,栈常用于实现深度优先搜索算法。
- 撤销操作:在某些应用程序中,可以使用栈来存储用户的操作历史,以便在需要时撤销操作。
综上所述,C++ STL中的stack
容器是一个功能强大且易于使用的数据结构,它提供了后进先出的特性,并广泛应用于各种场景。
二、queue
2.1 定义与基本概念
queue
是C++ STL中的一个容器适配器,它提供了一种先进先出(FIFO, First In First Out)的数据结构。与stack
类似,queue
也是对特定容器类进行封装,并提供了一组特定的成员函数来访问其元素。这些元素只能被添加(enqueue)到容器的“尾部”,也只能从“头部”移除(dequeue)。
2.2 底层容器
queue
的底层容器可以是任何支持以下操作的容器类模板:
empty()
:判空操作。front()
:获取头部元素操作。back()
:获取尾部元素操作。push_back()
:尾部插入元素操作。pop_front()
:头部删除元素操作(注意,这里的描述是为了与queue
的操作对应,实际上queue
没有直接的pop_front()
成员函数,而是通过pop()
实现头部删除)。
标准容器deque
、list
以及vector
(尽管vector
在头部删除时效率不高,但理论上仍可作为底层容器)均符合这些需求。默认情况下,如果没有为queue
指定特定的底层容器,它将使用deque
。
2.3 成员函数
queue
提供了以下常用的成员函数:
push(const T& x)
:向队列尾部添加一个元素。pop()
:移除队列头部元素。front()
:返回队列头部元素的引用。back()
:返回队列尾部元素的引用。empty()
:检查队列是否为空。size()
:返回队列中元素的数量。
2.4 使用示例
以下是一个简单的使用queue
的示例:
#include <iostream>
#include <queue> int main() { std::queue<int> myQueue; // 向队列中添加元素 myQueue.push(10); myQueue.push(20); myQueue.push(30); // 访问队列头部元素 std::cout << "队列头部元素: " << myQueue.front() << std::endl; // 输出 10 // 访问队列尾部元素 std::cout << "队列尾部元素: " << myQueue.back() << std::endl; // 输出 30 // 移除队列头部元素 myQueue.pop(); std::cout << "出队后队列头部元素: " << myQueue.front() << std::endl; // 输出 20 // 检查队列是否为空 if (myQueue.empty()) { std::cout << "队列为空" << std::endl; } else { std::cout << "队列不为空" << std::endl; // 输出这个 } // 获取队列的大小 std::cout << "队列的大小: " << myQueue.size() << std::endl; // 输出 2 return 0;
}
2.5 注意事项
- 队列元素访问:使用
front()
函数可以访问队列头部元素,使用back()
函数可以访问队列尾部元素,但这两个函数都不删除元素。如果队列为空,调用front()
或back()
函数将导致未定义行为。 - 队列的修改:
push()
函数用于向队列中添加元素,而pop()
函数用于移除队列头部元素。这两个函数都修改了队列的内容。 - 异常安全性:STL中的
queue
容器是异常安全的。如果在添加或删除元素时发生异常,queue
将保持其有效性。 - 不支持迭代器:与
stack
类似,queue
也不支持迭代器,因此不能使用迭代器来遍历队列中的元素。 - 内存管理:默认情况下,
queue
使用deque
作为其底层容器,因此其内存管理策略与deque
相同。如果需要自定义内存管理策略,可以使用自定义的分配器。
2.6 应用场景
queue
容器在以下场景中非常有用:
- 任务调度:在操作系统和并发编程中,
queue
常用于存储待处理的任务或事件。 - 广度优先搜索(BFS):在算法和数据结构中,
queue
常用于实现广度优先搜索算法。 - 消息传递:在进程间通信或线程间通信中,
queue
可用于存储和传递消息。 - 缓存管理:在某些应用场景中,
queue
可用于实现带有限制大小的缓存,当缓存满时,可以移除最早添加的元素。
综上所述,C++ STL中的queue
容器是一个功能强大且易于使用的数据结构,它提供了先进先出的特性,并广泛应用于各种场景。
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