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从 C 到 C++：容器适配器 std::stack 与 std::queue 详解

news 2025/10/15 11:00:56

对于刚从 C 语言转向 C++ 的朋友来说，标准库中的容器适配器是提升开发效率的利器。std::stack（栈）和std::queue（队列）作为两种常用的容器适配器，封装了底层容器的复杂细节，提供了简洁直观的操作接口，彻底告别了 C 语言中手动实现栈和队列的繁琐。本文将详细介绍这两种适配器的特性、底层实现及完整操作指南。

一、什么是容器适配器？

容器适配器（Container Adapters）是 C++ 标准库提供的一种特殊容器，它不直接存储数据，而是通过封装（适配）其他基础容器（如vector、deque）来提供特定的数据操作接口。

适配器的本质是接口转换：将基础容器的通用接口转换为满足特定数据结构需求的专用接口
优势：无需关心底层实现细节，专注于业务逻辑，代码更简洁、更不易出错

二、栈（std::stack）详解

std::stack实现了后进先出（LIFO, Last In First Out） 的数据结构，只能从容器的一端（称为 "栈顶"）插入和删除元素。

2.1 底层默认容器

std::stack的默认底层容器是std::deque（双端队列），这是因为deque同时满足栈对尾部插入 / 删除高效性（O (1) 时间复杂度）和动态扩容的需求。当然，也可以手动指定其他底层容器（需支持push_back()、pop_back()、back()、empty()、size()等操作），如std::vector或std::list：

// 以vector为底层容器的栈
std::stack<int, std::vector<int>> stack_with_vector;// 以list为底层容器的栈
std::stack<int, std::list<int>> stack_with_list;

2.2 头文件与初始化

#include <stack>  // 必须包含的头文件
#include <deque>  // 底层默认容器，通常无需显式包含
using namespace std;// 初始化方式
stack<int> st1;  // 空栈（默认使用deque作为底层容器）// 从其他容器初始化（需通过中间容器转换）
deque<int> dq = {1, 2, 3};
stack<int> st2(dq);  // 栈顶元素为3（因为栈会按dq的元素顺序堆叠）

2.3 核心操作表

操作	函数接口	代码示例（基于 st2 = {1,2,3}，栈顶为 3）	功能说明	时间复杂度
入栈	`push(value)`	`st2.push(4);` → 栈变为 {1,2,3,4}	在栈顶插入元素	O(1)
出栈	`pop()`	`st2.pop();` → 栈变为 {1,2}	移除栈顶元素（不返回值）	O(1)
访问栈顶元素	`top()`	`cout << st2.top();` → 输出 3	返回栈顶元素的引用	O(1)
判断是否为空	`empty()`	`if(st2.empty())` → false	栈为空返回 true，否则返回 false	O(1)
获取元素个数	`size()`	`cout << st2.size();` → 3	返回栈中元素的数量	O(1)

2.4 基本操作使用示例

#include <stack>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {stack<int> st;// 入栈操作st.push(10);st.push(20);st.push(30);cout << "栈大小：" << st.size() << endl;  // 输出：3cout << "栈顶元素：" << st.top() << endl;  // 输出：30// 出栈操作st.pop();cout << "出栈后栈顶元素：" << st.top() << endl;  // 输出：20// 遍历栈（需注意：栈没有迭代器，必须通过出栈操作遍历）cout << "栈中所有元素（从栈顶到栈底）：";while (!st.empty()) {cout << st.top() << " ";  // 依次输出20、10st.pop();}// 遍历后栈为空cout << "\n遍历后栈是否为空：" << (st.empty() ? "是" : "否") << endl;  // 输出：是return 0;
}

三、队列（std::queue）详解

std::queue实现了先进先出（FIFO, First In First Out） 的数据结构，元素从一端（队尾）插入，从另一端（队首）删除。

3.1 底层默认容器

std::queue的默认底层容器也是std::deque（双端队列），选择deque的原因是它能同时高效支持队尾插入和队首删除操作（均为 O (1) 时间复杂度），这是vector无法比拟的（vector的队首删除需要移动所有元素，O (n) 复杂度）。同样可以指定其他底层容器（需支持push_back()、pop_front()、front()、back()、empty()、size()等操作），如std::list：

// 以list为底层容器的队列
std::queue<int, std::list<int>> queue_with_list;

3.2 头文件与初始化

#include <queue>  // 必须包含的头文件
using namespace std;// 初始化方式
queue<int> q1;  // 空队列（默认使用deque作为底层容器）// 从其他容器初始化
deque<int> dq = {10, 20, 30};
queue<int> q2(dq);  // 队列：队首10，队尾30

3.3 核心操作表

操作	函数接口	代码示例（基于 q2 = {10,20,30}，队首 10，队尾 30）	功能说明	时间复杂度
入队	`push(value)`	`q2.push(40);` → 队列变为 {10,20,30,40}	在队尾插入元素	O(1)
出队	`pop()`	`q2.pop();` → 队列变为 {20,30}	移除队首元素（不返回值）	O(1)
访问队首元素	`front()`	`cout << q2.front();` → 输出 10	返回队首元素的引用	O(1)
访问队尾元素	`back()`	`cout << q2.back();` → 输出 30	返回队尾元素的引用	O(1)
判断是否为空	`empty()`	`if(q2.empty())` → false	队列为空返回 true，否则返回 false	O(1)
获取元素个数	`size()`	`cout << q2.size();` → 3	返回队列中元素的数量	O(1)

3.4 基本操作使用示例

#include <queue>
#include <iostream>
using namespace std;int main() {queue<int> q;// 入队操作q.push(100);q.push(200);q.push(300);cout << "队列大小：" << q.size() << endl;  // 输出：3cout << "队首元素：" << q.front() << endl;  // 输出：100cout << "队尾元素：" << q.back() << endl;   // 输出：300// 出队操作q.pop();cout << "出队后队首元素：" << q.front() << endl;  // 输出：200// 遍历队列（需注意：队列没有迭代器，必须通过出队操作遍历）cout << "队列中所有元素（从队首到队尾）：";while (!q.empty()) {cout << q.front() << " ";  // 依次输出200、300q.pop();}// 遍历后队列为空cout << "\n遍历后队列是否为空：" << (q.empty() ? "是" : "否") << endl;  // 输出：是return 0;
}

四、C 语言实现 vs C++ 容器适配器对比

特性	C 语言手动实现栈 / 队列	C++ std::stack/std::queue
实现复杂度	需要手动定义结构体（节点 / 数组）、处理指针 / 索引	无需实现底层逻辑，直接调用接口即可
内存管理	需手动 malloc/free，易发生内存泄漏或越界	自动管理内存，析构函数自动释放资源
接口一致性	不同实现者的函数命名和参数差异大	标准接口，所有环境下用法一致，降低学习成本
扩展性	如需修改底层实现（数组改链表），需重写所有函数	仅需修改模板参数即可更换底层容器，上层代码无需变动
安全性	无边界检查，容易访问越界	操作更安全，如对空栈调用 top () 虽未定义，但实践中风险更低