【C++】stack,queue和deque

stack的介绍

stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与提取操作。
stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。
stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下操作：
- empty：判空操作
- back：获取尾部元素操作
- push_back：尾部插入元素操作
- pop_back：尾部删除元素操作
标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque。

queue的介绍

队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO上下文(先进先出)中操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素。
队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。
底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作:
- empty：检测队列是否为空
- size：返回队列中有效元素的个数
- front：返回队头元素的引用
- back：返回队尾元素的引用
- push：在队列尾部入队列
- pop：在队列头部出队列
标准容器类deque和list满足了这些要求。默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque。

stack和queue的常用接口说明及简单演示

我们可以看到stack和queue中没有出现迭代器，是因为栈和队列的特性是先进后出和后进先出，不需要我们去遍历，如果我们能够遍历栈和队列，就会出问题，其特性就会被改变。

cpp 复制代码

void test_stack() //FILO  --   frist in last out
{
	std::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	while (!st.empty())
	{
		std::cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	std::cout << std::endl;
}

void test_queue() //FIFO  --   frist in frist out
{
	std::queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	while (!q.empty())
	{
		std::cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
	std::cout << std::endl;
}

stack 和 queue 的模拟实现

cpp 复制代码

template<class T,class Container = std::deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};

cpp 复制代码

template<class T, class Container = std::deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.erase(_con.begin());
		}
		T& front()
		{
			return _con.front();
		}
		T& back()
		{
			return _con.back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};

容器适配器：deque

deque的优势：

任意位置插入删除
支持随机访问

可以说是list和vector的结合体，但是其也有不好的地方，下面我们就一起看看怎末个事：

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。

其实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，其底层结构如下图所示：

本质是开好多个小数组buffer，最前面小数组的buffer用来头插，最后小数组的buffer用来尾插，中间的数组就是存放中间数据了，只要一个小数组满了就再开一个小数组，小数组的大小都一样，都是存放n个数据。还有一个中控数组，是一个指针数组，每个元素指向每一个小数组的首元素地址。

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:

cur指向当前所在的数据位置
first和last表示当前所在buffer的开始和结束
node指向中控数组中的指向当前所在缓冲区的结点指针。

对于当前所在buffer，让cur一直++就可以了，等到cur走到 last 时再++，node就指向下一个buffer的结点指针，然后再让 first 和 last 更新为下个buffer的头和尾，再让cur指向first就可已完成对数据的随机访问。

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，因此其效率是必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。

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

这样就结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。