C++初阶：stack和queue使用及模拟实现

stack的介绍和使用

stack的介绍

堆栈 - C++ 参考 (cplusplus.com)

翻译 :

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 。

stack的使用

样例：

void test_stack1()
{//bit::stack<int, list<int>> st;//bit::stack<int, vector<int>> st;bit::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;
}

 stack的模拟实现

#include<vector>
namespace bite
{template<class T>class stack{public:stack() {}void push(const T& x) {_c.push_back(x);}void pop() {_c.pop_back();}T& top() {return _c.back();}const T& top()const {return _c.back();}size_t size()const {return _c.size();}bool empty()const {return _c.empty();}private:std::vector<T> _c;};
}

queue的介绍和使用

queue的介绍

队列 - C++ 参考 (cplusplus.com)

翻译：

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 。

queue的使用

 queue的模拟实现

因为 queue 的接口中存在头删和尾插，因此使用 vector 来封装效率太低，故可以借助 list 来模拟实现 queue ，具体如下：

#include <list>
namespace bite
{template<class T>class queue{public:queue() {}void push(const T& x) {_c.push_back(x);}void pop() {_c.pop_front();}T& back() {return _c.back();}const T& back()const {return _c.back();}T& front() {return _c.front();}const T& front()const {return _c.front();}size_t size()const {return _c.size();}bool empty()const {return _c.empty();}private:std::list<T> _c;};
}

容器适配器

什么是适配器

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 。

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：

 deque的简单介绍(了解)

deque的原理介绍

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。

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 ，其底层结构如下图所示：

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其 “ 整体连续 ” 以及随机访问的假象，落 在了 deque 的迭代器身上， 因此 deque 的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

 deque的缺陷

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 ，因此其效率是比 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。

例子：

#include<iostream>
using namespace std;#include<stack>
#include<deque>
#include<algorithm>void test_op1()
{srand(time(0));const int N = 1000000;deque<int> dq;vector<int> v;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;v.push_back(e);dq.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(v.begin(), v.end());//排序涉及到遍历数组int end1 = clock();int begin2 = clock();sort(dq.begin(), dq.end());int end2 = clock();printf("vector:%d\n", end1 - begin1);printf("deque:%d\n", end2 - begin2);
}结果：
vector:1810
deque:7265

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。

总结：

STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

 stack的模拟实现

#include<deque>
namespace bit
{
template<class T, class Con = deque<T>>//template<class T, class Con = vector<T>>//template<class T, class Con = list<T>>class stack{public:stack() {}void push(const T& x) {_c.push_back(x);}void pop() {_c.pop_back();}T& top() {return _c.back();}const T& top()const {return _c.back();}size_t size()const {return _c.size();}bool empty()const {return _c.empty();}private:Con _c;};
}

 queue的模拟实现

#include<deque>namespace bit
{template<class T, class Con = deque<T>>//template<class T, class Con = list<T>>class queue{public:queue() {}void push(const T& x) {_c.push_back(x);}void pop() {_c.pop_front();}T& back() {return _c.back();}const T& back()const {return _c.back();}T& front() {return _c.front();}const T& front()const {return _c.front();}size_t size()const {return _c.size();}bool empty()const {return _c.empty();}private:Con _c;};
}