【C++的vector、list、stack、queue用法简单介绍】
【知识预告】
- vector的介绍及使用
- list的介绍及使用
- list与vector的对比
- stack的介绍和使用
- queue的介绍和使用
- priority_queue的介绍和使用
1 vector的介绍及使用
1.1 vector的介绍
- vector是表示可变大小数组的序列容器
- 和数组类似，vector也采用连续存储空间来存储元素。意味着可以采用下标对vector的元素进行访问，和数组一样高效。但是又不像数组，它的大小是可以动态改变的，而且它的大小会被容器自动处理。
- vector使用动态分配数组来存储它的元素。当新元素插入时候，这个数组需要被重新分配大小为了增加存储空间。其做法是，分配一个新的数组，然后将全部元素移到这个数组。就时间而言，这是一个相对代价高的任务，因为每当一个新的元素加入到容器的时候，vector每次都重新分配大小。
- vector分配空间策略：vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，因为存储空间比实际需要的存储空间更大。不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和重新分配。
- vector占用了更多的存储空间，为了获得管理存储空间的能力，并且以一种有效的方式动态增长。
- 与其它动态序列容器相比（deque, list and forward_list）， vector在访问元素的时候更加高效，在末尾添加和删除元素相对高效。
1.2 vector的使用
vector的文档介绍
int main()
{
vector<int> v1;
vector<int> v2(10, 0);
vector<int> v3(v2.begin(), v2.end());
string str("hello world");
vector<int> v4(str.begin(), str.end());
vector<int> v5(v4);
for (size_t i = 0; i < v3.size(); i++)
{
cout << v3[i] << " ";
}
cout << endl; // 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
//vector ::iterator it = v4.begin();
auto it = v4.begin();
while (it != v4.end())
{
cout << *it << " ";
it++;
} // 打印的是ASCII码("hello world")
cout << endl; // 104 101 108 108 111 32 119 111 114 108 100
for (auto e : v5)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 104 101 108 108 111 32 119 111 114 108 100
return 0;
}
// VS喜欢1.5倍扩容
int main()
{
size_t sz;
vector<int> v;
sz = v.capacity();
cout << "making v grow:\n";
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
v.push_back(i);
if (sz != v.capacity())
{
sz = v.capacity();
cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
}
}
return 0;
}
//making v grow :
//capacity changed : 1
//capacity changed : 2
//capacity changed : 3
//capacity changed : 4
//capacity changed : 6
//capacity changed : 9
//capacity changed : 13
//capacity changed : 19
//capacity changed : 28
//capacity changed : 42
//capacity changed : 63
//capacity changed : 94
//capacity changed : 141
int main()
{
vector<int> v1;
cout << v1.max_size() << endl;
// 1073741823
vector<int> v;
//v.reserve(100); // size = 0 capacity 100
v.resize(100); // size = 100 capacity 100
for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
{
v[i] = i;
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
} // 打印0~99
cout << endl;
return 0;
}
int main()
{
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4
v.insert(v.begin(), 0);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 0 1 2 3 4
auto it = find(v.begin(), v.end(), 3); // [first,last)
if (it != v.end())
{
v.insert(it, 30);
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 0 1 2 30 3 4
it = find(v.begin(), v.end(), 3); // [first,last)
if (it != v.end())
{
v.erase(it);
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 0 1 2 30 4
cout << v.size() << endl; // 5
cout << v.capacity() << endl; // 6
v.clear();
//v.shrink_to_fit(); // 这个可以把capacity清空
cout << v.size() << endl; // 0
cout << v.capacity() << endl; // 6
return 0;
}
int main()
{
// 1 2 3 4 5
// VS2019会进行强制检查，erase和insert以后认为it失效了
// 不能访问，访问就报错
vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
v.push_back(4);
v.push_back(5);
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
auto it = v.begin();
while (it != v.end())
{
if (*it % 2 == 0)
{
//v.erase(it);
it = v.erase(it);
}
//++it;
else
{
++it;
}
}
for (auto e : v)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 3 5
return 0;
}
int main()
{
vector<int> v1;
v1.push_back(1);
v1.push_back(2);
v1.push_back(3);
v1.push_back(4);
v1.push_back(5);
vector<int> v2(v1);
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
for (auto e : v2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
vector<int> v3;
v3.push_back(10);
v3.push_back(20);
v3.push_back(30);
v3.push_back(40);
v1 = v3;
for (auto e : v1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 10 20 30 40
return 0;
}
2 list的介绍及使用
2.1 list的介绍
list的文档介绍
- list是可以在常数范围内在任意位置进行插入和删除的序列式容器，并且该容器可以前后双向迭代。
- list的底层是双向链表结构，双向链表中每个元素存储在互不相关的独立节点中，在节点中通过指针指向其前一个元素和后一个元素。
- list与forward_list非常相似：最主要的不同在于forward_list是单链表，只能朝前迭代，已让其更简单高效。
- 与其他的序列式容器相比(array，vector，deque)，list通常在任意位置进行插入、移除元素的执行效率更好。
- 与其他序列式容器相比，list和forward_list最大的缺陷是不支持任意位置的随机访问，比如：要访问list的第6个元素，必须从已知的位置(比如头部或者尾部)迭代到该位置，在这段位置上迭代需要线性的时间开销；list还需要一些额外的空间，以保存每个节点的相关联信息。
2.2 list的使用
int main()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
list<int>::iterator it = lt.begin();
while (it != lt.end())
{
cout << *it << " ";
++it;
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
// 范围for的底层也是迭代器
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
return 0;
}
int main()
{
list<int> lt;
lt.push_back(1);
lt.push_back(2);
lt.push_back(3);
lt.push_back(4);
lt.push_back(5);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
lt.reverse();
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 5 4 3 2 1
//sort(lt.begin(), lt.end()); // 报错
lt.sort(); // 默认是升序 使用小于号<
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 1 2 3 4 5
// 降序使用大于号 >
//greater gt;
//lt.sort(gt);
lt.sort(greater<int>()); // 底层是归并排序
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 5 4 3 2 1
// vector的sort更强
lt.remove(3);
for (auto e : lt)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // 5 4 2 1
return 0;
}
int main()
{
std::list<int> mylist1, mylist2;
std::list<int>::iterator it;
for (int i = 1; i <= 4; i++)
mylist1.push_back(i);
for (auto e : mylist1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // mylist1：1 2 3 4
for (int i = 1; i <= 3; i++)
mylist2.push_back(i * 10);
for (auto e : mylist2)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl; // mylist2：10 20 30
it = mylist1.begin();
it++;
// splice有嫁接的意思
//mylist1.splice(it, mylist2); // mylist1：1 10 20 30 2 3 4
//for (auto e : mylist1)
//{
// cout << e << " ";
//}
//cout << endl;
mylist1.splice(it, mylist2, ++mylist2.begin(), mylist2.end()); // 1 20 30 2 3 4
for (auto e : mylist1)
{
cout << e << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
3 list与vector的对比
vector与list都是STL中非常重要的序列式容器，由于两个容器的底层结构不同，导致其特性以及应用场景不同，其主要不同如下：
| vector | list | |
|---|---|---|
| 底层结构 | 动态顺序表 | 带头结点的双向循环链表 |
| 随机访问 | 支持随机访问，访问某个元素效率O(1) | 不支持随机访问，访问某个元素效率O(N) |
| 插入和删除 | 任意位置插入和删除效率低，需要搬移元素，时间复杂度为O(N)，插入时有可能需要增容，增容：开辟新空间，拷贝元素，释放旧空间，导致效率更低 | 任意位置插入和删除效率高，不需要搬移元素，时间复杂度为O(1) |
| 空间利用率 | 底层为连续空间，不容易造成内存碎片，空间利用率高，缓存利用率高 | 底层节点动态开辟，小节点容易造成内存碎片，空间利用率低，缓存利用率低 |
| 迭代器 | 原生态指针 | 对原生态指针(节点指针)进行封装 |
| 迭代器失效 | 在插入元素时，要给所有的迭代器重新赋值，因为插入元素有可能会导致重新扩容，致使原来迭代器失效，删除时，当前迭代器需要重新赋值否则会失效 | 插入元素不会导致迭代器失效，删除元素时，只会导致当前迭代器失效，其他迭代器不受影响 |
| 使用场景 | 需要高效存储，支持随机访问，不关心插入删除效率 | 大量插入和删除操作，不关心随机访问 |
4 stack的介绍和使用
4.1 stack的介绍
stack的文档介绍
-
stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与提取操作。
-
stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。
-
stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下操作：
- empty：检测队列是否为空
- 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，默认情况下使用deque。
4.2 stack的使用
int main()
{
stack<int> st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
cout << endl; // 4 3 2 1
return 0;
}
例题：最小栈
设计一个支持 push ，pop ，top 操作，并能在常数时间内检索到最小元素的栈。
class MinStack
{
public:
void push(int x)
{
// 只要是压栈，先将元素保存到_elem中
_elem.push(x);
// 如果x小于_min中栈顶的元素，将x再压入_min中
if (_min.empty() || x <= _min.top())
_min.push(x);
}
void pop()
{
// 如果_min栈顶的元素等于出栈的元素，_min顶的元素要移除
if (_min.top() == _elem.top())
_min.pop();
_elem.pop();
}
int top() { return _elem.top(); }
int getMin() { return _min.top(); }
private:
// 保存栈中的元素
std::stack<int> _elem;
// 保存栈的最小值
std::stack<int> _min;
};
5 queue的介绍和使用
5.1 queue的介绍
queue的文档介绍
- 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，其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。
- 底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。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
- 标准容器类deque和list满足了这些要求。默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque。
5.2 queue的使用
int main()
{
queue<int> q;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " ";
q.pop();
}
cout << endl; // 1 2 3 4
return 0;
}
6 priority_queue的介绍和使用
priority_queue文档介绍
6.1 priority_queue的介绍
- 优先队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它所包含的元素中最大的。
- 此上下文类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索最大堆元素(优先队列中位于顶部的元素)。
- 优先队列被实现为容器适配器，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。元素从特定容器的“尾部”弹出，其称为优先队列的顶部。
- 底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问，并支持以下操作：
- empty()：检测容器是否为空
- size()：返回容器中有效元素个数
- front()：返回容器中第一个元素的引用
- push_back()：在容器尾部插入元素
- pop_back()：删除容器尾部元素
- 标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定的priority_queue类实例化指定容器类，则使用vector。
- 需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。
6.2 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) | 在优先级队列中插入元素x |
| pop() | 删除优先级队列中最大（最小）元素，即堆顶元素 |
// shift+tab键整体缩进
int main()
{
// 默认是大堆
priority_queue<int> q;
q.push(3);
q.push(1);
q.push(5);
q.push(4);
while (!q.empty())
{
cout << q.top() << " ";
q.pop();
}
cout << endl; // 5 4 3 1
return 0;
}
int main()
{
// 小堆
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q;
q.push(3);
q.push(1);
q.push(5);
q.push(4);
while (!q.empty())
{
cout << q.top() << " ";
q.pop();
}
cout << endl; // 1 3 4 5
return 0;
}
例题：数组中第k个大的元素
class Solution {
public:
int findKthLargest(vector<int>& nums, int k) {
priority_queue<int> pq(nums.begin(),nums.end());
while (--k)
pq.pop();
return pq.top();
}
};