🏖️作者：@malloc不出对象
⛺专栏：C++的学习之路
👦个人简介：一名双非本科院校大二在读的科班编程菜鸟，努力编程只为赶上各位大佬的步伐🙈🙈

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前言

本篇文章我们主要讲解的是C++中的容器适配器(stack、queue)以及它们的模拟实现！！还提到了容器deque和它的优缺点！！

一、什么是容器适配器

容器适配器是STL（标准模板库）中的一种特殊容器，它们通过在现有的容器之上提供新的接口和功能来改变现有容器的行为，可以帮助简化某些特定类型的操作。
容器适配器提供了许多不同的功能，包括栈（stack）、队列（queue）、优先队列（priority_queue）等。它们都是基于其他STL容器（如vector、deque、list）实现的，因此可以使用这些容器提供的底层数据结构来支持它们的操作。
总之，容器适配器是STL中的一种重要组件，它们提供了一种简单易用的方式来实现特定数据结构的操作，从而提高了编程效率和代码的可读性。同时，对于一些需要高效数据结构的场景，应该根据实际需求选择最适合的数据结构。

1.1 stack的介绍

关于stack想必不用我过多的进行介绍了吧，其中它最大的特点就是后进先出，在我们很多的设计场景中经常出现！！

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
empty()	判断栈是否为空
size()	返回栈中元素的个数
top()	返回栈顶元素的引用
push()	将元素压入栈中
pop()	将栈顶元素弹出

栈的使用成本很低，下面我们来简单的使用演示一下：

1.3 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.

1.4 queue的使用

函数说明	接口说明
empty()	判断队列是否为空
size()	返回队列中元素的个数
front()	返回队头元素的引用
back()	返回队尾元素的引用
push()	在队尾压入元素
pop()	将队头元素出队列

我们简单的看下queue的使用：

二、stack的模拟实现

stack作为容器适配器，它可以通过使用 vector、list 和 deque等底层容器来实现它的函数接口，stl中的 stack和queue都是默认使用双端队列 deque来进行封装的，后续我们会谈及deque双端队列，下面我们默认使用的vector容器进行包装。

// stack.h
namespace curry
{
	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()
		{
			return _con.back();
		}

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

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

	private:
		Container _con;
	};

	void test_stack()
	{
		stack<int> st;
		st.push(1);
		st.push(2);
		st.push(3);
		st.push(4);
		cout << st.size() << endl;

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

三、queue的模拟实现

由于queue队列支持头插与头删，而我们的vector容器是不支持头插头删的，因为这样会大量挪动数据影响效率，所以这里我们采用list容器对它进行包装。

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

		// 队头出
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};

	void test_queue()
	{
		queue<int> q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);

		cout << q.size() << endl;
		cout << q.back() << endl;

		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

四、deque的简单介绍

4.1 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？

下面我们简单的来看看deque的使用：

那么既然deque同时拥有了vector与list的性能，为何deque没有取代它们呢？

答案很显然，deque并没有想象中的那么强大，因为它是有很大缺陷的。

4.2 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。

4.3 性能测试

#include <deque>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

// N个数据需要排序，vector+ 算法sort  deque+ sort
void Test()
{
	srand(time(0));
	const int N = 1000000;
	vector<int> v;
	v.reserve(N);

	deque<int> dq;
	for (int i = 0; i < N; ++i)
	{
		auto e = rand();
		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 sort:%d\n", end1 - begin1);
	printf("dequeue sort:%d\n", end2 - begin2);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

在release版本下vector随机访问的速度大概是deque的两倍，而debug下deque的随机访问的速度比vector要慢上3倍多，可见deque随机访问的速率不如vector极致！！这是因为deque设计的机制导致随机访问的速率更慢。

4.3 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。

4.4 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

stack的模拟实现

namespace curry
{
	template<class T, class Container = deque<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;
	};
}

queue的模拟实现：

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

		// 队头出
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

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本篇文章的内容就到这里了，如果文章有任何疑问或者错处欢迎大家评论区相互交流orz~🙈🙈