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【C++闯关笔记】STL：stack与queue的学习和使用

news 2025/9/20 7:45:53

系列文章目录

上一篇文章：【C++闯关笔记】STL：list 的学习和使用-CSDN博客

文章目录

目录

前言

一、概念

二、使用介绍

1.stack：后进先出

核心特性

核心操作

细节与陷阱

使用场景

2.queue：先进先出

核心特性

核心操作

细节与陷阱

使用场景

三、模拟实现

1.stack模拟实现

2.queue模拟实现

总结

前言

C++中的stack、queue与数据结构中的栈、队列本质上是一样的，不同之处仅在C++将其它们封装成了类并添加了一些新东西，其他方面与数据的栈、队列完全一致。

一、概念

核心概念：它们都是“容器适配器”

首先，要建立一个重要的认知：stack 和 queue 都不是独立的容器，而是“容器适配器”。

你可以把它们想象成对某种底层容器（如 list 、vector等）的接口包装和功能限制。它们基于vector、list 或者其他什么底层容器构建，但只暴露了符合特定数据结构（栈或队列）规则的接口。

二、使用介绍

1.stack：后进先出

核心特性

①LIFO: Last-In, First-Out，后进先出。就像一摞盘子，取的总是最上面的那个（也就是最后放上去的）。

②栈顶：我们约定进行操作的那一端称为栈顶，另一端则为栈底。

核心操作

push(const T& value): 压栈，将元素放入栈顶。
pop(): 弹栈，移除栈顶元素（并不返回元素！）。
top(): 访问栈顶元素（返回引用）。
empty(): 判断栈是否为空。
size(): 返回栈中元素个数。

细节与陷阱

①pop( ) 返回 void，不能用来获取值。正确的做法是先通过top( )获取栈顶数据，在pop( )移除栈顶数据；

②警惕空栈。对空栈调用top 和pop 操作是未定义行为，绝大多数情况下会导致程序崩溃；

使用场景

函数调用栈：计算机系统最核心的应用，记录函数调用关系和局部变量。
表达式求值：处理括号匹配、将中缀表达式转换为后缀表达式。
撤销操作：编辑器中的撤销，将操作压栈，撤销时弹出。
深度优先搜索：DFS算法通常使用栈来实现。

2.queue：先进先出

核心特性

①FIFO: First-In, First-Out，先进先出。就像现实生活中的排队，先来的人先接受服务。

②出数据的一端称为队头，入数据的一端称为队尾。

核心操作

push(const T& value): 入队，将元素放入队尾。
pop(): 出队，移除队首元素（同样不返回元素！）。
front(): 访问队首元素。
back(): 访问队尾元素。
empty(): 判断队列是否为空。
size(): 返回队列中元素个数。

细节与陷阱

①front()/back() 和 pop() 也必须分两步走。先通过 front / back 获取数据后，再 pop 出数据。

②警惕空队列。对空队列调用 front()/back() 和 pop() 同样是未定义行为。

使用场景

广度优先搜索：BFS算法的核心数据结构。
消息队列：在网络通信或多线程中，用于在不同线程或进程间传递数据。
缓冲区：例如打印机任务队列，先提交的打印任务先执行。
模拟现实排队：银行叫号系统等。

三、模拟实现

1.stack模拟实现

考虑到 stack 只在栈顶频繁进行数据的写入写出，那么选择一个插入/删除数据操作效率高的底层容器，进行封装无疑是最好的选择。

vector 的push_back与push_pop 时间复杂度均为O(1)，故这里我们采用封住 vector 来模拟实现stack。

模拟代码如下：

#include <vector>namespace karsen
{template<typename T>class stack{public:stack(){}void push(const T& x){_st.push_back(x);}T& top(){return _st.back();}bool empty(){return _st.empty();}size_t size(){return _st.size();}void pop(){_st.pop_back();}private:std::vector<T> _st;};
}

2.queue模拟实现

相较于 stack 的单侧数据增删，queue需要在队头/队尾频繁进行数据增删，vector 显然不再适合，此时本质为双向循环链表的 list 就比较合适。

模拟代码如下：

#pragma once
#include<list>namespace karsen
{template<typename T>class queue{public:queue(){}bool empty(){return _qu.empty();}void push(const T& x){_qu.push_back(x);}void pop(){_qu.pop_front();}T& back(){return _qu.back();}T& front(){return _qu.front();}size_t size(){return _qu.size();}private:std::list<T> _qu;};};