【C++】STL——stack和queue的介绍与使用及模拟实现

stack和queue的介绍与使用及模拟实现

1.stack的介绍与使用

1.1.stack的介绍

1、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。

2、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。

3、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：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

4、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。

1.2.stack的使用

函数说明	接口说明
stack()	构造空的栈
empty()	检测栈是否为空
size()	返回stack中元素的个数
top()	返回栈顶元素的引用
push()	将元素val压入栈中
pop()	将stack中尾部的元素弹出

• 定义方式：

使用默认的适配器定义栈

stack<int> s;

使用指定的适配器定义栈

stack<int, vector<int>> s1;
stack<int, list<int>> s2;

不能用指定string的适配器

stack<int, string> s3;//存在截断数据丢失的风险

string的数据为字符，字符本质上存的是ASCII码，有范围，超过这个范围，就会出现截断导致数据丢失

• 测试案例：

void test_stack()
{
     
     
	// 后进先出，不支持迭代器
	stack<int> s;
	s.push(1);
	s.push(2);
	s.push(3);
	s.push(4);

	while (!s.empty())
	{
     
     
		cout << s.top() << " ";
		s.pop();
	}
	cout << endl;
}

1.3.stack的模拟实现

stack的底层是借助容器适配器来完成的，实现方式也非常简单。

namespace stack_realize
{
     
     
	// 函数参数控制的是对象，模板参数控制的是模板
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class stack
	{
     
     
	public:
		void push(const T& val)
		{
     
     
			_con.push_back(val);
		}

		void pop()
		{
     
     
			_con.pop_back();
		}

		bool empty() const
		{
     
     
			return _con.empty();
		}

		const T& top() const
		{
     
     
			return _con.back();
		}
		 
		size_t size() const 
		{
     
     
			return _con.size();
		}

	private:
		//vector<T> _v; 太死板，有限制
		Container _con;
	};
}

---

2.queue的介绍和使用

2.1.queue的介绍

1、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。

2、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。

3、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

4、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。

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，不是返回false
size()	返回队列中有效元素的个数
front()	返回对头元素的引用
back()	返回队尾元素的引用
push()	在队尾将元素val入队列
pop()	将对头元素出队列

• 定义方式：

1、使用默认的适配器定义队列

queue<int> q1;

2、使用指定的适配器定义队列

queue<int, list<int>> q3;//不能用vector

注意不能使用vector作为适配器，因为vector不支持头删。

• 测试案例：

void test_queue()
{
     
     
	// 先进先出，不支持迭代器
	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;
}

2.3.queue的模拟实现

namespace queue_realize
{
     
     
	// 函数参数控制的是对象，模板参数控制的是模板
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
     
     
	public:
		void push(const T& val)
		{
     
     
			_con.push_back(val);
		}

		void pop()
		{
     
     
			_con.pop_back();
		}

		const T& front()
		{
     
     
			return _con.front();
		}
		
		const T& back()
		{
     
     
			return _con.back();
		}

		bool empty() const
		{
     
     
			return _con.empty();
		}

		size_t size() const
		{
     
     
			return _con.size();
		}

	private:
		//vector<T> _v; 太死板，有限制
		Container _con;
	};
}

3. 容器适配器

适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。

3.1.STL标准库中stack和queue的底层结构

虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque，比如：

3.2.deque的简单介绍(了解)

在正式了解deque之前，先看下vector和list的简要对比：

• vector的优缺点：

vector优点	vector缺点
1. 尾插尾删效率较高	1. 在头部或中间插入删除时间复杂度为O(N)，效率低，需要挪动数据
2. 支持随机访问	2. 空间不够，需要扩容，扩容有一定性能消耗，还存在一定的空间浪费
3. cpu高速缓存命中率高

• list的优缺点：

list优点	list缺点
1. 在任意位置插入删除数据的时间复杂度都是O(1)，效率高	1. 不支持随机访问
2. 按需申请释放空间，不存在空间浪费	2. cpu高速缓存命中率低

• 而deque就是综合了vector和list的优缺点设计出来的：

deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。

3.3.deque原理介绍

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，为了管理这些连续空间，deque 容器用中控数组（数组名假设为 map）存储着各个连续空间的首地址。也就是说，map 数组中存储的都是指针，指向那些真正用来存储数据的各个连续空间（如下图所示）。

通过建立 map 数组，deque 容器申请的这些分段的连续空间就能实现“整体连续”的效果。换句话说，当 deque 容器需要在头部或尾部增加存储空间时，它会申请一段新的连续空间，同时在 map 数组的开头或结尾添加指向该空间的指针，由此该空间就串接到了 deque 容器的头部或尾部。

当中控数组map数组满了的时候，再申请一块更大的连续空间供 map 数组使用，将原有数据（很多指针）拷贝到新的 map 数组中，然后释放旧的空间。

3.4.deque的优缺点

• 与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。
• 与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。
• 但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。deque也不适合中部的插入删除，因为要挪动数据，效率低。

3.5.为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。
st。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。