【C++】stack和queue的模拟实现 && 双端队列deque的介绍

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🌈前言

本篇博客的主要内容:STL库中stack和queue的模拟实现 以及deque的介绍

这部分是名副其实的奖励内容了,stackqueue作为容器适配器,是基于一些容器实现(如:vector,list以及deque)。内部结构实现起来很容易,但是需要多多关注模板的一些使用。deque作为容器,也被我们叫做双端队列,常用作栈和队列的底层适配容器。

🔥stack的模拟实现

cpp 复制代码
#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
namespace ForcibleBugMaker
{
	// 模板也可以给缺省类型
	template<class T,class Container = std::vector<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

这样使用模板,让我们可以通过传入不同的类型和容器从而生成不同的stack

如下:

cpp 复制代码
stack<int> st1;
stack<double, vector<double>> st2;
stack<int, list<int>> st3;

在本段代码中,st1st2的结构相同,但存储的数据类型不相同;st1st3存储的数据相同,但是底层的结构却天差地别了(一个是顺序结构,一个是链式结构)。

🔥queue的模拟实现

cpp 复制代码
#pragma once
#include<deque>
namespace ForcibleBugMaker
{
	template<class T,class Container = std::deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}
		const T& back()
		{
			return _con.back();
		}

	private:
		Container _con;
	};

}

queue在这里也是同样的道理,不过由于vector不支持头删(pop_front),所以在提供Container类型时不要使用vector容器。

🔥deque(双端队列)

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。

上图的双端队列是我们假象出来的逻辑结构,实际上在底层的存储中,是分段连续的 ,物理结构如图:

为维护其"整体连续"以及随机访问的假象,deque的迭代器设计就比较复杂,如图:

一个迭代器类型就包含四个成员变量。

成员变量 作用
cur 指向当前数据位置
first 指向一个buffer的开始元素
last 指向一个buffer的结束元素的下一位
node 反向指向中控数组

deque借助迭代器维护其假象连续结构图:

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 ,因此其效率是比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有两个致命缺陷: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,同时,在对deque容器中间元素进行插入和删除操作时,消耗较大 ,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

🌈为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

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()pop_back()操作的线性结构,都可以作为stack的底层容器 ,比如vectorlist都可以;queue是先进先出的特殊线性数据结构,只要具有push_backpop_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:

  1. 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。
  2. 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

结合了deque的优点,而完美的避开了其缺陷。

🌈结语

本篇博客的内容到这里就要结束了,我们探索了stack和queue的底层实现,同时介绍了双端队列,在使用deque作为stack和list的底层默认容器时,结合了deque的优点而完美避开了其缺陷。在下一篇博客,我们将会继续开始C++的语法学习,讲解模板,继承和多态等内容,敬请期待♥

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