STL详解 - stack与queue的模拟实现
目录
一、容器适配器
1. 什么是适配器模式
2. stack与queue的底层结构
3. deque的原理与缺陷
3.1 deque的原理
3.2 deque的缺陷
4. 为何选择deque作为默认底层容器
二、stack与queue的模拟实现
1. stack的实现
2. queue的实现
一、容器适配器
1. 什么是适配器模式
适配器模式是一种结构型设计模式，其核心思想是将一个类的接口转换为用户期望的另一个接口。在STL中，容器适配器（如stack和queue）通过封装现有容器（如deque、vector或list），提供符合特定数据结构特性的接口，从而屏蔽底层细节，简化开发。
2. stack与queue的底层结构
尽管stack和queue可以存储元素，但它们并非直接归类为容器，而是容器适配器。这是因为它们基于其他容器进行接口封装，默认情况下使用deque作为底层容器：
3. deque的原理与缺陷
3.1 deque的原理
deque（双端队列）是一种伪连续的双开口容器，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，其内部由多个固定大小的连续内存块（缓冲区） 组成，通过中控器（指针数组）管理这些块，形成一个逻辑上的连续空间。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是如何借助迭代器维护其假想连续的结构呢？
3.2 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。
4. 为何选择deque作为默认底层容器
尽管deque有遍历效率低的缺陷，但作为stack和queue的底层容器却十分合适：
-
无需遍历：
stack和queue仅需在固定端操作，规避了deque的遍历缺陷。 -
高效扩容：相比
vector，deque扩容时无需搬移大量元素。 -
内存友好：相比
list，deque内存碎片少，空间利用率高。
二、stack与queue的模拟实现
1. stack的实现
stack使用deque作为底层容器，默认通过模板参数指定。
push和pop操作分别调用底层容器的push_back和pop_back。
top方法返回栈顶元素，直接调用底层容器的back方法。
size和empty方法分别返回底层容器的大小和是否为空。
#include <deque>namespace lv
{template <class T, class Container = std::deque<T>>class stack{public:// 构造函数stack(){}// 向栈顶添加元素void push(const T& x){_container.push_back(x); // 使用底层容器的 push_back}// 从栈顶移除元素void pop(){_container.pop_back(); // 使用底层容器的 pop_back}// 获取栈顶元素T& top(){return _container.back(); // 使用底层容器的 back}// 获取栈顶元素（const版本）const T& top() const{return _container.back();}// 获取栈的大小size_t size() const{return _container.size();}// 判断栈是否为空bool empty() const{return _container.empty();}private:Container _container; // 底层容器，默认使用 deque};
}2. queue的实现
queue使用deque作为底层容器，默认通过模板参数指定。
push方法调用底层容器的push_back，将元素添加到队尾。
pop方法调用底层容器的pop_front，从队头移除元素。
front和back方法分别返回队头和队尾的元素。
size和empty方法分别返回底层容器的大小和是否为空。
#include <deque>namespace lv
{template <class T, class Container = std::deque<T>>class queue {public:// 构造函数queue() {}// 向队尾添加元素void push(const T& x) {_container.push_back(x); // 使用底层容器的 push_back}// 从队头移除元素void pop() {_container.pop_front(); // 使用底层容器的 pop_front}// 获取队头元素T& front() {return _container.front(); // 使用底层容器的 front}// 获取队头元素（const版本）const T& front() const {return _container.front();}// 获取队尾元素T& back() {return _container.back(); // 使用底层容器的 back}// 获取队尾元素（const版本）const T& back() const {return _container.back();}// 获取队列的大小size_t size() const {return _container.size();}// 判断队列是否为空bool empty() const {return _container.empty();}private:Container _container; // 底层容器，默认使用 deque};
}