C++——stack、queue的实现及deque的介绍

目录

1.stack与queue的实现

1.1stack的实现

[1.2 queue的实现](#1.2 queue的实现)

2.重温vector、list、stack、queue的介绍

[2.1 STL标准库中stack和queue的底层结构](#2.1 STL标准库中stack和queue的底层结构)

3.deque的简单介绍

3.1为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

[3.2 STL中对stack与queue的模拟实现](#3.2 STL中对stack与queue的模拟实现)

①stack模拟实现

②queue模拟实现

3.3deque的缺陷


1.stack与queue的实现

1.1stack的实现

C++入门10------stack与queue的使用中看到:stack的接口函数无非就是这些:

从栈的接口中可以看出,栈实际是一种特殊的vector,因此使用vector完全可以模拟实现stack:

#include<vector>

namespace xxk
{
	template<class T>
	class stack
	{
	public:
		//构造
		stack()
		{}
		//压栈
		void push(const T& x)
		{
			_c.push_back(x);
		}
		//出栈
		void pop()
		{
			_c.pop_back();
		}
		//获取栈顶元素
		T& top()
		{
			return _c.back();
		}
		const T& top() const
		{
			return _c.back();
		}
		//获取有效元素个数
		size_t size() const
		{
			return _c.size();
		}
		//检测栈是否为空
		bool empty() const
		{
			return _c.empty();
		}
	private:
		std::vector<T> _c;
	};
}

1.2 queue的实现

queue的接口存在这些:

因为queue的接口中存在头删和尾插,因此使用vector来封装效率太低,故可以借助list来模拟实现queue:

#include <list>

namespace xxk
{
	template<class T>
	class queue
	{
	public:
		//构造
		queue()
		{}
		//队尾入队列
		void push(const T& x)
		{
			_c.push_back(x);
		}
		//队头出队列
		void pop()const
		{
			_c.pop_front();
		}
		//获取队尾元素
		T& back()
		{
			return _c.back();
		}
		const T& back() const
		{
			return _c.back();
		}
		//获取队头元素
		T& front()
		{
			return _c.front();
		}
		const T& front() const
		{
			return _c.front();
		}
		//获取有效元素个数
		size_t size() const
		{
			return _c.size();
		}
		//判断是否为空
		bool empty() const
		{
			return _c.empty();
		}

	private:
		std::list<T> _c;
	};
}

2.重温vector、list、stack、queue的介绍

我们在学习vector、list和stack与queue的使用时,对四者分别有这样的介绍:

Vectors are sequence containers...------Vector是序列容器......;

Lists are sequence containers...------List是序列容器......;

Stacks are a type of container adaptor...------Stack是一种容器适配器......;

queues are a type of container adaptor...------queue是一种容器适配器......;

显然前两者是容器,后两者是容器适配器,这是两种不同的表述。那为什么stack与queue不是容器呢?想要弄明白这个问题,我们就需要从stack与queue的底层结构找答案。

2.1 STL标准库中stack和queue的底层结构

虽然stack和queue中也可以存放元素,但在STL中并没有将其划分在容器的行列,而是将其称为容器适配器,这是因为stack和queue只是对其他容器的接口进行了包装,STL中stack和queue默认使用deque,比如:

关于适配器,我们可以想到平时用的插座的例子:

比如有一个三孔电源,可手机充电时却要用到两孔电源,在没有两孔电源的前提下,我们就可以增加一个电源适配器将三孔电源转换为两孔电源:

在这里我们就可以简单理解为:三孔电源就是deque容器,电源适配器就是stack和queue容器适配器,手机充电器就是对象:

说到这里,我们就不得不了解一下deque了。

3.deque的简单介绍

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。

(注意: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,双端队列底层是一段假想的连续空间,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)

3.1为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

在上面我们已经用vector和list分别实现了stack与queue,既然vector和list就能实现,为什么STL中却要用deque这样一个使用频次不如vector和list的容器呢?

这是因为:

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:

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。

3.2 STL中对stack与queue的模拟实现

①stack模拟实现

#include<deque>
#include<vector>
#include<list>
namespace xxk
{
	template<class T, class Con = deque<T>>
	//template<class T, class Con = vector<T>>
	//template<class T, class Con = list<T>>
	class stack
	{
	public:
		stack() 
		{}
		void push(const T& x) 
		{ 
			_c.push_back(x); 
		}
		void pop() 
		{ 
			_c.pop_back(); 
		}
		T& top() 
		{ 
			return _c.back(); 
		}
		const T& top()const 
		{ 
			return _c.back(); 
		}
		size_t size()const 
		{ 
			return _c.size(); 
		}
		bool empty()const 
		{ 
			return _c.empty(); 
		}
	private:
		Con _c;
	};
}

②queue模拟实现

#include<deque>

#include <list>
namespace xxk
{
    template<class T, class Con = deque<T>>
    //template<class T, class Con = list<T>>
    class queue
    {
    public:
        queue() 
        {}
        void push(const T& x) 
        { 
            _c.push_back(x); 
        }
        void pop() 
        { 
            _c.pop_front(); 
        }
        T& back() 
        { 
            return _c.back(); 
        }
        const T& back()const 
        { 
            return _c.back(); 
        }
        T& front() 
        { 
            return _c.front(); 
        }
        const T& front()const 
        { 
            return _c.front(); 
        }
        size_t size()const 
        { 
            return _c.size(); 
        }
        bool empty()const 
        { 
            return _c.empty(); 
        }
    private:
        Con _c;
    };
}

3.3deque的缺陷

①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;

②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;

③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。

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