【C++】STL容器-stack和queue的使用与模拟实现

前言

上文讲解了【C++】STL容器–list的模拟实现详情请点击，今天继续介绍另外两个STL容器–stack和queue，以及简单讲解一下deque

一、stack介绍

• stack是一种容器适配器，专门用于先进后出，只能从容器的一端进行数据的插入和删除操作，stack作为容器适配器被实现
• 容器适配器即对特定类进行封装作为底层容器， 并且提供一组特定的成员函数来访问其元素，stack的底层容器可以是任何标准容器类模板或其它特定的容器类，这些容器应该支持以下接口： push_back（尾插）、pop_back（尾删）、top（获取顶部数据）、size（返回容器有效数据）、empty（判断是否为空）
• 标准容器vector、list、deque均符合这些要求，默认情况下，如果我们没有为stack指定特定的底层容器，默认采用deque作为其底层容器，针对deque，小编后面会进行介绍

二、stack的模拟实现

1. 我们实现stack的时候要使用类模板来进行实现，T为stack存储的数据类型，模板参数列表中的模板参数还可以有缺省值，这个缺省值与函数的缺省值（函数的缺省值的是数据）不同的是模板参数的缺省值是类型，函数的缺省值是对象，默认情况下我们采用deque作为stack的底层容器
2. 在使用deque这个容器的时候要包头文件#include < deque >

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

push

push：将数据进栈，直接调用尾插即可

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

pop

pop：将数据出栈，直接调用尾删即可

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

top

top：返回容器顶部数据，直接调用back即可

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

empty

1. 判断是否为空，直接调用empty函数即可，由于只需要判断是否为空，不需要修改数据，因此使用const修饰，让普通对象和const对象都可以进行调用

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

size

1. 使用size函数即可返回stack中有效数据个数，由于我们不需要对内容进行修改，因此使用const修饰，让普通对象和const对象都可以进行调用

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

void test_stack1()
{gy::stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(4);st.push(5);cout << st.size() << endl;cout << st.empty() << endl;while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}cout << endl;
}

结果如下：

1. stack是先进后出，所以插入的顺序是1、2、3、4、5，后面出栈的顺序是5、4、3、2、1

三、queue介绍

1.和stack一样是一种容器适配器，专门用于先进先出，从容器的一端插入数据，从容器的另一端提取数据
2. queue的容器应该支持以下接口：push_back（尾插）、pop_front（头删）、front（获取头部数据）back（获取尾部数据）、size、empty
3. 标准容器list、deque均符合这些要求，默认情况下，如果我们没有为queue指定特定的底层容器，默认采用deque作为其底层容器，针对deque，后文将会进行简单介绍

四、queue的模拟实现

namespace gy
{template<class T, class Container = deque<T>>class queue{public:private:Container _con;};
}

push

1. push：根据队列的性质，只能尾插数据，因此直接调用尾插函数即可

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

pop

1. pop：根据队列的性质，只能头删数据，因此直接调用头删函数即可

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

front/back

1. 返回头部数据和尾部数据，调用底层适配器的front和back函数即可

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

size/empty

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

void test_queue()
{gy::queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);cout << q.size() << endl;cout << q.empty() << endl;cout << q.back() << endl;while (!q.empty()){cout << q.front() << endl;q.pop();}cout << endl;
}

结果如下：

五、deque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数据的插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)
• 同时支持了operator[]即随机访问（vector的性质），和头插头删（list的性质）尾插尾删，但是它实际上并没有撼动vector和list的地位，并不能达到替代vector和list的目的

六、deque与vector和list的对比

vector

• 优点：

1. 支持下标随机访问快，尾插尾删效率高
2. CPU命中率高

• 缺点：

1. 头部或中间位置插入删除效率底
2. 插入空间不够需要扩容，扩容有一定的性能消耗，倍数级扩容可能存在一定的空间浪费

list

• 优点：

1. 在任意位置O（1）插入删除
2. 按需申请释放空间

• 缺点：

1. 不支持下标随机访问
2. CPU高速缓存命中率低，还存在缓存污染

deque

• 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，
  

deque与vector对比
优势：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
deque与list对比
优势：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

deque的缺点
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。

• operator[]的计算过程：

1. 先看是否在第一个用于头插的空间（buff）中，如果在那么使用位置进行访问
2. 如果不在第一个buff中，将下标 i 减去第一个空间（buff）的元素个数大小size，得出新的下标i
3. 使用下标 i / 空间中的数据个数——>得出是在第几个空间（buff）
4. 使用下标 i % 空降中的数据个数——>得出是在该空间中的第几个位置