【C++】STL详解（八）—stack和queue的模拟实现

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stack与queue的详细介绍和使用请点击

摘要

不是呆头将在本文详细讲解了C++ STL 中 stack（栈） 和 queue（队列） 的模拟实现：

• 容器适配器概念：stack 与 queue 并非独立容器，而是基于已有顺序容器（deque / vector / list）的封装。
• stack：后进先出（LIFO），只允许在栈顶操作元素；核心接口：push()、pop()、top()、size()、empty()、swap()。
• queue：先进先出（FIFO），入队在队尾，出队在队头；核心接口：push()、pop()、front()、back()、size()、empty()、swap()。
• 模拟实现：通过底层容器操作完成栈/队列行为，同时支持自定义底层容器，保持高效与灵活性。

📌 编程箴言： “好的C++代码就像好酒，需要时间沉淀。”
（正文开始👇）

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目录

一、容器适配器

1. 解释

在 C++ STL 中，stack 和 queue 并不是独立的数据结构容器，而是典型的 容器适配器（Container Adapter）。所谓“容器适配器”，就是它们本身不直接存储数据，而是基于已有的顺序容器（如 deque、vector、list）进行封装，并对外只提供一组受限的接口，从而实现特定的数据操作语义：

• stack（栈） 👉 只允许在一端操作数据，遵循 后进先出（LIFO） 原则；底层默认使用 deque，也可指定 vector 或 list 作为适配器容器。
• queue（队列） 👉 只允许一端进、一端出，遵循 先进先出（FIFO） 原则；底层默认同样是 deque，也可以用 list 来替代。

因此，stack 和 queue 可以理解为：

在通用顺序容器的基础上，通过“适配器模式”屏蔽掉不必要的接口，仅保留特定操作（入/出、取顶/取首尾），从而保证语义清晰、逻辑简单、效率稳定。

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2. stack vs queue 对比表

特性	stack（栈）	queue（队列）
数据结构类型	容器适配器	容器适配器
底层默认容器	deque	deque
可选底层容器	vector / list	list
数据操作规则	后进先出（LIFO）	先进先出（FIFO）
插入位置	栈顶（top）	队尾（back）
删除位置	栈顶（top）	队首（front）
主要接口	push()、pop()、top()	push()、pop()、front()、back()
适用场景	函数调用、表达式求值、括号匹配、DFS	任务调度、消息队列、层序遍历、BFS

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二、stack的模拟实现

1. 常用函数

1.1 类模板定义

template<typename T,typename Container = deque<T>>
class stack
{
public:private:Container _con;
};

template<typename T, typename Container = deque<T>>

类模板定义，T为储存的数据类型，Container为底层容器类型，默认是deque < T >

Container _con;

定义了一个名为stack的类，包装一个底层容器，然后基于这个底层容器来实现功能

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1.2 push

对于stack，push是把数据压入，相当于数组的末尾插入，直接执行尾插操作，但是我们不知道函数的参数是内置类型还是自定义类型，所以我们可以使用引用传参来避免是自定义类型的大对象拷贝。

void push(const T& val)
{_con.push_back(val);
}

因为我们插入数据不需要进行修改，加上const修饰。

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1.3 pop

对于stack，pop是把顶部的数据进行删除，从数组的角度看是删除数组最后一个数据，直接调用尾删就行。

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

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1.4 top

top是获取栈顶元素的引用，也就是获取数组中最后一个数据的引用，我们直接采用back，back的作用是返回数组最后一个数据的引用。

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

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1.5 size

size是获取栈中有效数据的个数，可以直接调用size()；而且个数必须是非负数，我们可以直接采用size_t；获取有效个数并不会对容器数据做任何的修改，可以使用const修饰。

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

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1.6 empty

empty是通过bool来进行判断容器是否为空，我们可以直接调用empty()函数；同时这个操作不会对容器中的任何数据进行修改，所以可以加const进行修饰。

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

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1.7 swap

swap是用来整体交换两个容器中的数据，为了避免把整个栈拷贝一份（非常耗时），所以我们直接采用引用传参；因为stack是容器适配器，底层容器默认是deque，为了更方便适配各种容器，我们需要一个存储数据类型的类和一个底层容器类；调换是调用底层容器自己的 swap 函数，直接交换两者的存储空间。
这样整个交换操作复杂度 O(1)，只是指针/内部资源的交换，不会一一拷贝元素。

void swap(stack<T, Container>& st){_con.swap(st._con);}

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2. .h（声明定义不分离）

#pragma once
#include<iostream>
#include<stack>
using namespace std;namespace dh //防止命名冲突
{ template<typename T, typename Container = deque<T>>//类模板定义，T为数据类型，Container为底层容器类型，默认是dequeclass stack //定义了一个类，包装了一个底层容器，基于这个底层容器来实现功能{public://元素入栈void push(const T& x){_con.push_back(x);}//元素出栈void pop(){_con.pop_back();}//获取栈顶元素T& top(){return _con.back();}const T& top() const{return _con.back();}//获取栈中有效元素个数size_t size() const{return _con.size();}//判断栈是否为空bool empty() const{return _con.empty();}//交换两个栈中的数据void swap(stack<T, Container>& st){_con.swap(st._con);}		private:Container _con;};
}

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3. .c(测试)

#include"stack-queue.h"void test01()
{stack<int> st;stack<int> st1;st.push(5);st.push(2);st.push(0);st1.push(6);st1.push(6);st1.push(6);cout << st.size() << endl;cout << st1.size() << endl;while (!st.empty()){cout << st.top() << ' ';st.pop();}cout << endl;st.swap(st1);while (!st.empty()){cout << st.top() << ' ';st.pop();}cout << endl;cout << st.size() << endl;
}int main()
{test01();return 0;
}

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三、queue的模拟实现

**注意：**类模板定义同上，T储存数据类型，Container为底层容器类型，默认是deque < T >

1. 常用函数

1.1 push

push是把数据从数据的末尾插入，直接执行尾插操作，但是我们不知道函数的参数是内置类型还是自定义类型，所以我们可以使用引用传参来避免是自定义类型的大对象拷贝。

void push(const T& val)
{_con.push_back(val);
}

因为我们插入数据不需要进行修改，加上const修饰。

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1.2 pop

pop是把队头的数据进行删除，直接调用头删就行。

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

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1.3 front

front是用来获取队头数据的引用，我们可以直接调用front，它直接返回队头数据的引用

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

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1.4 back

back是用来获取队尾数据的引用，我们可以直接调用back，它直接返回队尾数据的引用

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

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1.5 size

size是获取容器中有效数据的个数，可以直接调用size()；而且个数必须是非负数，我们可以直接采用size_t；获取有效个数并不会对容器数据做任何的修改，可以使用const修饰。

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

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1.6 empty

empty是通过bool来进行判断容器是否为空，我们可以直接调用empty()函数；同时这个操作不会对容器中的任何数据进行修改，所以可以加const进行修饰。

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

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1.7 swap

swap是用来整体交换两个容器中的数据，为了避免把整个栈拷贝一份（非常耗时），所以我们直接采用引用传参；因为queue是容器适配器，底层容器默认是deque，为了更方便适配各种容器，我们需要一个存储数据类型的类和一个底层容器类；调换是调用底层容器自己的 swap 函数，直接交换两者的存储空间。
这样整个交换操作复杂度 O(1)，只是指针/内部资源的交换，不会一一拷贝元素。

void swap(queue<T, Container>& q){_con.swap(q._con);}

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2. .h(声明定义不分离)

#pragma once
#include<iostream>
#include<queue>
#include<deque>
using namespace std;namespace dh //防止命名冲突
{template<class T, class Container = std::deque<T>>class queue{public://队尾入队列void push(const T& x){_con.push_back(x);}//队头出队列void pop(){_con.pop_front();}//获取队头元素T& front(){return _con.front();}const T& front() const{return _con.front();}//获取队尾元素T& back(){return _con.back();}const T& back() const{return _con.back();}//获取队列中有效元素个数size_t size() const{return _con.size();}//判断队列是否为空bool empty() const{return _con.empty();}//交换两个队列中的数据void swap(queue<T, Container>& q){_con.swap(q._con);}private:Container _con;};
}

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3. .c(测试)

#include"stack-queue.h"void test02()
{queue<int> q;queue<int> q1;q.push(5);q.push(2);q.push(0);q1.push(6);q1.push(7);q1.push(8);cout << q.size() << endl;cout << q1.size() << endl;while (!q.empty()){cout << q.front() << ' ';q.pop();}cout << endl;q.swap(q1);while (!q.empty()){cout << q.front() << ' ';q.pop();}cout << endl;cout << q.size() << endl;
}int main()
{//test01();test02();return 0;
}

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四、总结

1. 容器适配器的本质：stack 和 queue 是对顺序容器的封装，屏蔽不必要的接口，只保留特定操作。

2. 效率与安全：底层容器的 push_back / pop_back / push_front / pop_front 等操作保证了高效操作；swap 操作复杂度 O(1)，无需逐元素拷贝。

3. 使用场景：

   • stack：函数调用管理、括号匹配、DFS 等。
   • queue：任务调度、消息队列、层序遍历、BFS 等。

4. 实践建议：在自定义栈/队列时，可根据需要添加空栈/空队列保护，避免未定义行为。

🔹 总结一句话：
stack 是“后进先出”的守护者，queue 是“先进先出”的调度员，底层容器让它们高效而灵活。

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