1 stack 与 queue 的函数接口

  stack 与 queue 的使用非常简单，相信大家看一眼他们的函数接口就会了，这里就不再过多介绍

函数说明	接口说明
$stack$()	构造空的栈
$empty$()	检测 $stack$ 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 $stack$ 中
$pop$()	将 $stack$ 中尾部的元素弹出

stack 函数接口

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 $true$，否则返回 $false$
$size$()	返回队列中有效元素的个数
$front$()	返回队列头元素的引用
$back$()	返回队列尾元素的引用
$push$()	在队尾元素 $val$ 入队列
$pop$()	将队头元素出队列

queue 函数接口

  
  

2 适配器

2.1 发现问题

  我们看stack或queue的文档，会发现有这样的介绍：

  文档说stack是一种容器适配器，那么适配器又是什么呢？以及它的模板参数为什么是两个，不是传一个类型就可以了吗？$deque$又是什么鬼
  别急，我们现在就来学习，我们先来了解什么是适配器
  

2.2 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一个接口。
  适配器其实就是适配器模式。设计模式总共有 23 种，设计模式就好比孙子兵法中的战术，是前人不断总结实践出来的经验方法。迭代器的设计某种程度上来说就是一种设计模式，为迭代器模式。

  

  例如充电：现在插座是三孔的，两孔的插头想要充上电，可以用一个电源适配器进行转换

  适配的本质是一种转换接口

  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，这是因为栈和队列只是对其他容器的接口进行了包装。
  
  

3 stack 与 queue的模拟实现

3.1 栈的基础框架

  根据我们前面学习STL库中的其他容器的经验
  我们模拟实现栈，其基本结构可以是这样的

namespace my_stack
{
	template<class T>
	struct stack
	{
	public:
		//成员函数···

	private:
		T* _a;
		size_t _top;
		size_t _capacity;
	};
}

  现在，我们学习了适配器模式，可以不用上述方式去实现。
  我们尝试使用适配器的方式去实现。

  我们想，可不可以像库中的一样用其他的容器进行封装转换一下，从而实现一个栈呢？
  可以的，因为栈主要支持两个东西：在栈顶插入 $push$ 和在栈顶删除 $pop$。那理论上只要那个容器支持在同一端插入和删除就能够支持栈。那 vector 和 list 都支持，这样我们的栈就不需要我们自己去实现，直接封装一下 $vector$ 或 $list$ 不就行了。
  
如下：

template<class T>
class stack
{
public:
	//成员函数
private:
	vector<T> _v;
};

  但这样写，无疑就写死了，于是有人发明了如下写法：

template<class T, class Container = vector<T>>
class stack
{
public:
	//成员函数
private:
	Container _con;
};

  这里，用 $Container$ 适配转换出 $stack$

  那 $Container$ 是什么类型呢？默认是 $vector$，如果传 $list$ 就是 $list$，传其他容器就是其他容器

  
  

3.2 栈的模拟实现

  那接下来实现一个栈就很容易啦，只需复用 Container 中的成员函数即可

namespace my_stack
{
	// Containerתstack
	template<class T, class Container = vector<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

  
  

3.3 队列的模拟实现

  学习了 $stack$ 的模拟实现，队列的模拟实现就很简单啦，他们都是类似的。
  需要注意的是队列是先进后出，即一端进另一端出，就不再适合用 $vector$，这里我们的默认容器改为 $list$

namespace my_list
{
	template<class T, class Container = list<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
	
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
	
		const T& front() const
		{
			return _con.front();
		}
	
		const T& back() const
		{
			return _con.back();
		}
	
		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
	
		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	
	private:
		Container _con;
	};
}

  
  

4 模板的按需实例化

  我们使用自己实现的队列，使用 $vector$ 作为容器有没有问题呢？

int main()
{
	my_list::queue<int, vector<int>> q1;
	q1.push(1);
	q1.push(2);
	q1.push(3);

	return 0;
}

  可以看到，是没问题的。
  可是不应该啊，因为模板中我们实现的pop()函数调用了容器的pop_front()函数，而 vector 容器是没有 pop_front() 函数的，这不应该报错吗？
  
  这里要讲一个新的知识点：按需实例化
  类模板实例化时，编译器只会实例化那些显式调用了的函数，使用哪些成员函数就实例化哪些，不会全部实例化
  
  my_list::queue<int, vector<int>> q1; 这一句代码是把类模板实例化了。但是将这个类模板实例化了，编译器会将这个类所有的成员函数都实例化吗？不会，编译器实例化这个类时，它的原则是：用什么成员函数实例化哪些成员函数。

  而编译器对模板只会检查大框架（比如：漏了一个 ‘;’），而不会检查具体的实现细节。编译器只会对实例化了的东西进行细致的检查。

  上述代码，编译器只实例化了 $push$ 和 构造函数，剩下的函数都没实例化。而 $pop$ 函数并没有被实例化。没有实例化，没有生成具体的函数，里面的语法自然就不会细节地去检查

int main()
{
	my_list::queue<int, vector<int>> q1;
	q1.push(1);
	q1.push(2);
	q1.push(3);

	q1.pop();

	return 0;
}

  调用了 $pop$ 函数才会报错。

  所以模板没有全部使用之前，并不能保证里面的语法没有问题
  
  

5 deque 的简单介绍

  不知大家发现没有，库中 stack 和 queue 的默认容器并不是 $vector$ 或 $list$，而是 deque。

  那么 $deque$ 是什么呢？我们一起来简单了解一下。
  

5.1 vector 与list对比

  我们先来简单对比一下 $vector$ 与 $list$ 的优缺点

5.1.1 vector

优点:

• 尾插尾删效率不错，支持高效下标随机访问
• 物理空间连续，所以高速缓存利用率高

缺点:

• 空间需要扩容，扩容有一些代价（效率和空间浪费）
• 头部和中部插入删除效率低

  

5.1.2 list

优点：

• 按需申请释放空间，不需要扩容
• 任意位置插入删除效率高

缺点:

• 不支持下标随机访问
• 物理空间不连续，高速缓存利用率低

  
  

5.2 deque 的基本结构

  deque 的中文名是：双端队列，虽然名字和 $queue$ 有点像，但它和 $queue$ 没有任何关系。
  $deque$ 可以看成是 $vector$ 和 $list$ 的缝合。

  $deque$ 是由一段一段小数组（这里取名为 $buff$ 数组）和一个中控数组组成。
  中控数组是一个指针数组，放着每一个 buff 数组的指针。而 $buff$ 数组则存放数据。第一个 $buff$ 的数组会放在中控数组的中间

  
  如果进行头插，则在中控数组最前面增加一个数组指针，并在 $buff$ 数组从后往前插入数据；如果尾插，则在中控数组最后面增加数组指针，并在 $buff$ 数组中从前往后插入数据。
  如果空间不够需进行扩容，只需扩容中控数组拷贝中控数组的指针，并新开辟一个 buff 即可
  

  
  

5.3 deque 的迭代器

  $deque$ 的迭代器由四个指针组成

• cur：指向当前访问 $buff$ 的数据
• first：指向一个 $buff$ 的开始
• last：指向一个 $buff$ 的结束
• node：为二级指针，反向指向中控数组

  
  那么 $deque$ 的迭代器是如何管理整个结构的呢？
  我们结合图来简单了解一下

  $deque$ 中主要的成员变量由两个迭代器组成：start 和 finish。$start$ 即 $begin$() 返回的迭代器；$finish$ 即 $end$() 返回的迭代器。
  
  当用迭代器遍历整个 $deque$：

iterator it = begin();
while(it != end())
{
	cout << *it << " ";
	++it;
}

• while(it != end())，!= 其实比较的是迭代器中的 $cur$ 是否相等
• cout << *it << " "; *it，其本质是解引用 $cur$
• ++it;分为两种情况
  • 当前的 $buff$ 没有走完（判断条件 $cur$ != $last$）：++cur
  • 当前 $buff$ 走完（判断条件 $cur$ == $last$）：通过 $node$ 找到当前 buff 地址在中控数组的位置，++$node$ 找到下一个 $buff$ 的地址，解引用就是下一个 $buff$。更新 $first$ 与 $last$，$cur$ 指向第一个位置。

  
  

5.4 operator[] 的简单原理

  这里讲一下 $operator$[] 的实现，即查找第 i 个数据。

• 因为第一个 $buff$ 前面的空的，所以先对第一个buff特殊处理，先判断是否在第一个 $buff$ 中。
• 之后假设第一个buff是满的。比如第一个 $buff$ 只有后面三个位有数据，则假设补满；找第 $i$ 个数据，改为找第 $i$ + 5 个
• 后通过 i / N 找到第 $n$ 个 $buff$，再通过 i % N 找到其在第 $n$ 个 $buff$ 的第 $m$ 个位置。（$N$ 为每个 $buff$ 的长度）

  
  这里我们演示一下 $deque$ 的 $operator$[] 效率：

void test1()
{
	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());
	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);
}

  相差两倍左右

void test1()
{
	
	srand(time(0));
	const int N = 1000000;

	deque<int> dq1;
	deque<int> dq2;

	for (int i = 0; i < N; ++i)
	{
		auto e = rand() + i;
		dq1.push_back(e);
		dq2.push_back(e);
	}

	int begin1 = clock();
	sort(dq1.begin(), dq1.end());
	int end1 = clock();

	int begin2 = clock();
	// 拷贝到vector
	vector<int> v(dq2.begin(), dq2.end());
	sort(v.begin(), v.end());
	dq2.assign(v.begin(), v.end());
	int end2 = clock();

	printf(" deque sort:%d\n", end1 - begin1);
	printf(" deque copy vector sort, copy back deque:%d\n", end2 - begin2);

}

  依然是 $vector$ 快，同时也可以看成拷贝的代价是很低的

  
  

5.5 选择deque作为其底层容器原因

$deque$的优缺点：

• $deque$ 的头插尾插效率很高，更甚于 $vector$ 和 $list$
• 下标随机访问也还不错，但相比 $vector$ 略逊一筹
• 但中间插入效率很低，需要挪动数据，是 O($n$)
• deque 在实践中应用并不多，主要是用于 $stack$ 和 $queue$ 的底层结构

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，完美符合 $deque$ 头插尾插效率高的优点。

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（不需要频繁开辟细碎的空间）。 结合了 $deque$ 的优点，而完美的避开了其缺陷。

  
  
  
  
  

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  好啦，本期关于 $stack$ & $queue$ & $deque$ 的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在 C++ 的学习路上一起进步！