STL中queue、stack的实现与容器适配器的讲解

简介

栈（Stack）

队列（Queue）

实现

简介

栈（Stack）和队列（Queue）是两种基本的数据结构，在STL（Standard Template Library，标准模板库）中，它们被封装为容器适配器，用于管理元素的插入和删除操作。

栈（Stack）

栈是一种后进先出（Last In First Out, LIFO）的数据结构。在STL中，栈的接口定义如下：

push()：在栈顶插入一个元素。
pop()：删除栈顶元素。
top()：返回栈顶元素的引用。
empty()：检查栈是否为空。
size()：返回栈中元素的数量。

栈通常用于以下场景：

递归算法的实现。
实现后退功能，如浏览器的后退按钮。
解决问题时的临时存储，如深度优先搜索（DFS）。

队列（Queue）

队列是一种先进先出（First In First Out, FIFO）的数据结构。在STL中，队列的接口定义如下：

push()：在队列末尾插入一个元素。
pop()：删除队列首部的元素。
front()：返回队列首部元素的引用。
back()：返回队列末尾元素的引用。
empty()：检查队列是否为空。
size()：返回队列中元素的数量。

队列通常用于以下场景：

在多任务处理中管理任务，如线程池。
实现广度优先搜索（BFS）。
缓存实现，如最近最少使用（LRU）缓存。

在STL中，栈和队列通常是基于deque（双端队列）或list（链表）来实现的，但用户不需要关心底层实现细节，可以直接使用它们提供的接口来进行操作。这两种数据结构都是模板类，可以存储任何类型的元素。

由于我们需要深度学习这两种数据结构，因此本文将实现stack与queue

实现

栈的实现

栈可分数组站、链表栈，都可以实现后进先出的功能。我们可以采用C语言中借助一个动态指针等方式实现。但是在C++中，可以借助其他容器实现。

对于stack而言，既可以使用list，也可以使用vector、、、

cpp 复制代码

template<class T, class Container = std::deque<T>>
class stack
{

官网中stack的实现借助的是模板

因此我们也借助模板实现。

模板参数由数据类型T和容器类型Container构成。

栈的功能函数

栈主要是top pop push这三个核心函数构成。

cpp 复制代码

namespace My_Stack
{
	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();
		}

		const T& top() const
		{
			return _con.back();		//back不是front
		}

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

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;		//默认生成的构造函数，会调用_con的构造
	};

}

需要注意的是：

对于构造函数、析构函数等内置函数，我们并没有显式实现。系统默认生成的构造函数会自动调用_con该容器的构造，析构函数也会调用该容器的析构完成资源的清理。

top是栈顶元素，也就是容器的最后一个元素。

队列的实现

队列也是一个模板类，但是队列的容器不能是vector，原因是vector没有pop_front（）函数，而队列需要大量的先进先出。

cpp 复制代码

#include <deque>

namespace My_Queue
{
	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();
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};


}

deque的讲解

可以看到，我们在实现队列和栈的时候，都利用了deque，这是什么呢？

Deque（双端队列）是一种数据结构，它允许在队列的两端进行插入和删除操作 。它是"double-ended queue"的缩写，有时也被称为双端队列容器。

在 C++ 的 STL（标准模板库）中，deque 与 vector 容器有很多相似之处，但它们之间也存在一些关键的区别。与 vector 不同的是，deque 在队列的两端（头部和尾部）添加或删除元素的效率都非常高，时间复杂度为 O(1)。这意味着deque 在频繁进行头部或尾部操作时，比 vector 更高效。

其实deque同样可以成为完成栈和队列的容器。

以下是 deque 的一些特点：

双向开口：deque 是一种双向开口的连续线性空间，允许在头尾两端分别进行元素的插入和删除操作。
动态空间管理：deque 没有固定的容量概念，它是动态地以分段连续空间组合而成，可以根据需要随时增加新的空间。
高效的头尾操作：与 vector 相比，deque 在头部进行插入和删除操作时效率更高，因为不需要移动所有元素。
迭代器：deque 的迭代器需要能够指出分段连续空间的位置，并且能够判断是否处于当前缓冲区的边缘。如果是，则在进行前进或后退操作时，需要跳跃到下一个或上一个缓冲区。

如下是deque的函数

看函数，像是list与vector的结合体。它既能实现list的功能，也能实现vector的功能。那为什么不能deque呢？主要还是，他什么都会，但是什么都不精通！

因此，根据需求，我们还是主要使用list和vector。但是，当需要在序列的两端频繁进行添加或删除操作时，deque 容器是一个很好的选择。

deque的结构示意图

deque其实是一个中控数组实现，数组中存放着一个个的指针，指向了其他容器（一般被乘坐buffer）。

其实，本质是个指针数组！

头插与尾插示意图

头插：在10之前

中控满了，可以去扩容，但是代价低，因为这只是一个指针数组，只需要拷贝指针。

但是在内部插入删除元素，就显得效率极其低下！因为要么得整体挪动数据，以保证buffer的大小一致，方便[]访问；要么得对单个的buffer扩容，或者减少数据。