C++容器适配器

C++ 容器适配器详解

容器适配器（Container Adapters）是 C++ 标准库中的一种特殊容器，通过封装现有容器并限制其接口，提供特定数据结构的特性（如栈、队列等）。它们本身不是独立的容器，而是基于其他容器（如 deque、vector、list）实现的适配器模式的应用。

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一、容器适配器的核心特点

1. 接口受限
   仅暴露符合目标数据结构特性的操作（如栈的 push、pop、top）。
2. 组合而非继承
   通过内部持有底层容器（如 deque）实现功能，而非继承。
3. 不支持迭代器
   无法直接遍历元素，仅能通过适配器的接口操作。
4. 底层容器可定制
   可指定适配器使用的底层容器类型（需满足特定要求）。

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二、标准库中的容器适配器

C++ 提供了三种容器适配器：
stack（栈）、queue（队列）、priority_queue（优先队列）。

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1. stack（栈：LIFO 后进先出）

• 默认底层容器：deque

• 支持操作：

  s.push(x)  // 压栈
  s.pop()    // 弹栈（不返回元素）
  s.top()    // 查看栈顶元素
  s.empty()  // 是否为空
  s.size()   // 元素数量
  

• 示例：

  #include <stack>
  #include <vector>std::stack<int> s1; // 默认使用 deque
  std::stack<int, std::vector<int>> s2; // 使用 vector 作为底层容器s1.push(10);
  s1.push(20);
  std::cout << s1.top(); // 输出 20
  s1.pop();              // 移除 20
  

• 底层容器要求：
  必须支持 back()、push_back()、pop_back()（如 vector、deque、list）。

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2. queue（队列：FIFO 先进先出）

• 默认底层容器：deque

• 支持操作：

  q.push(x)  // 入队
  q.pop()    // 出队（不返回元素）
  q.front()  // 队首元素
  q.back()   // 队尾元素
  q.empty()  
  q.size()   
  

• 示例：

  #include <queue>
  #include <list>std::queue<int> q1; // 默认使用 deque
  std::queue<int, std::list<int>> q2; // 使用 listq1.push(10);
  q1.push(20);
  std::cout << q1.front(); // 输出 10
  q1.pop();                // 移除 10
  

• 底层容器要求：
  必须支持 front()、back()、push_back()、pop_front()（如 deque、list）。

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3. priority_queue（优先队列：元素按优先级排序）

• 默认底层容器：vector

• 支持操作：

  pq.push(x)  // 插入元素
  pq.pop()    // 移除最高优先级元素
  pq.top()    // 查看最高优先级元素
  pq.empty()  
  pq.size()   
  

• 示例：

  #include <queue>
  #include <functional> // 用于 greater<int>// 默认是大顶堆（降序）
  std::priority_queue<int> pq1; // 小顶堆（需指定底层容器和比较函数）
  std::priority_queue<int, std::vector<int>, std::greater<int>> pq2;pq1.push(30);
  pq1.push(10);
  pq1.push(20);
  std::cout << pq1.top(); // 输出 30（最大值）pq2.push(30);
  pq2.push(10);
  std::cout << pq2.top(); // 输出 10（最小值）
  

• 底层容器要求：
  必须支持随机访问迭代器（如 vector、deque），且需指定比较函数（默认 std::less<T>）。

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三、容器适配器 vs 普通容器

特性	容器适配器	普通容器（如 vector、deque）
接口	受限，仅暴露特定操作	完整，支持迭代器、随机访问等
数据结构特性	严格遵循栈、队列等行为	通用容器，无特定行为约束
迭代器支持	不支持	支持
底层实现	基于其他容器封装	直接管理内存和元素

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四、底层容器选择建议

1. stack
   • 默认 deque：平衡头尾操作效率。
   • 若需要连续内存：选择 vector（但 pop 时可能触发内存重分配）。
2. queue
   • 默认 deque：高效的头尾插入删除。
   • 若需链表特性：选择 list。
3. priority_queue
   • 默认 vector：堆操作依赖随机访问。
   • 避免使用 list（不支持随机访问）。

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五、应用场景

1. stack
   • 函数调用栈、括号匹配、表达式求值（逆波兰式）。
2. queue
   • 任务调度、BFS 广度优先搜索、缓冲池。
3. priority_queue
   • 任务优先级调度、Dijkstra 最短路径算法、Top K 问题。

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六、自定义比较函数（以 priority_queue 为例）

// 自定义结构体
struct Task {int priority;std::string name;
};// 自定义比较函数（优先级小的先出队）
struct CompareTask {bool operator()(const Task& a, const Task& b) {return a.priority > b.priority; // 小顶堆}
};std::priority_queue<Task, std::vector<Task>, CompareTask> task_queue;task_queue.push({3, "Clean"});
task_queue.push({1, "Urgent"});
std::cout << task_queue.top().name; // 输出 "Urgent"

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七、总结

• 容器适配器是对现有容器的封装，提供特定数据结构的行为约束。
• stack、queue、priority_queue 分别对应栈、队列、优先队列的经典操作。
• 灵活选择底层容器以满足不同场景的性能需求。
• 优先使用适配器而非手动实现数据结构，确保代码简洁且符合标准规范。