【C++】stack和queue的模拟实现双端队列deque的介绍

news2024/11/15 21:22:56

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🌈前言

本篇博客的主要内容：STL库中stack和queue的模拟实现以及deque的介绍。

这部分是名副其实的奖励内容了，stack和queue作为容器适配器，是基于一些容器实现（如：vector，list以及deque）。内部结构实现起来很容易，但是需要多多关注模板的一些使用。deque作为容器，也被我们叫做双端队列，常用作栈和队列的底层适配容器。

🔥stack的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
namespace ForcibleBugMaker
{
	// 模板也可以给缺省类型
	template<class T,class Container = std::vector<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

这样使用模板，让我们可以通过传入不同的类型和容器从而生成不同的stack。
如下：

stack<int> st1;
stack<double, vector<double>> st2;
stack<int, list<int>> st3;

在本段代码中，st1和st2的结构相同，但存储的数据类型不相同；st1和st3存储的数据相同，但是底层的结构却天差地别了（一个是顺序结构，一个是链式结构）。
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🔥queue的模拟实现

#pragma once
#include<deque>
namespace ForcibleBugMaker
{
	template<class T,class Container = std::deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}
		const T& back()
		{
			return _con.back();
		}

	private:
		Container _con;
	};

}

queue在这里也是同样的道理，不过由于vector不支持头删（pop_front），所以在提供Container类型时不要使用vector容器。

🔥deque（双端队列）

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。
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上图的双端队列是我们假象出来的逻辑结构，实际上在底层的存储中，是分段连续的，物理结构如图：

为维护其“整体连续”以及随机访问的假象，deque的迭代器设计就比较复杂，如图：

一个迭代器类型就包含四个成员变量。

成员变量	作用
cur	指向当前数据位置
first	指向一个buffer的开始元素
last	指向一个buffer的结束元素的下一位
node	反向指向中控数组

deque借助迭代器维护其假象连续结构图：
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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有两个致命缺陷：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，同时，在对deque容器中间元素进行插入和删除操作时，消耗较大，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。

🌈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：