C++学习第十三天——stack/queue的使用及底层剖析双端队列容器适配器

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🚀前言

点击跳转到文章【C++学习第十二天——list容器的深度剖析及底层实现】

前面我们已经学习了list容器的相关知识，本文主要介绍STL中另外两种重要的结构，stack和queue。但是在STL中这两者并没有划分在容器范围内，而是将其称为容器适配器。

💥一、容器适配器

1、什么是容器适配器？

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。

2、STL标准库中stack和queue的底层适配？

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queue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：

💥二、双端队列deque的介绍

1、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在功能上是vector和list的结合体，如图：

deque并不是真正连续的空间，而是由一小段一小段连续的buff小数组和中控数组(指针数组)构成，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：

小数组满了之后不扩容，而是再开辟一小段空间做buff，并且开辟buff数组时并不是从中控数组的开头开始申请的，而是在中间，头插尾插时才向两边申请。

比如：

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：

2、deque的缺陷

（1）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。

（2）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。

（3）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，并且deque的中间位置的insert 和erase 也要挪动数据，效率并不高。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。

3、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。

💥三、对于stack和queue的使用和模拟实现

1、stack和queue的使用

首先，使用stack和queue需要包含头文件< satck > 和 < queue >。

stack和queue的主要接口十分简单：

代码如下：

#include<stack>
#include<queue>

int main()
{	
	//stack的使用
	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;
	
	//queue的使用
	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;

	return 0;
}

2、stack的模拟实现

//template <class T,class Con = list<T>>
//template <class T,class Con = vector<T>>
template <class T,class Con = deque<T>>
class stack
{
public:
	void push(const T& x)
	{
		_con.push_back(x);
	}

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

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

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

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

private:
	Con _con;
};

3、queue的模拟实现

//template<class T, class Con = list<T>>
template<class T, class Con = deque<T>>
class queue
{
public:
	void push(const T& x)
	{
		_con.push_back(x);
	}

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

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

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

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

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

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

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

private:
	Con _con;
};