C++之stack 和 queue

禁默2024-09-29 1:36

目录

前言

1.stack的介绍和使用

[1.1 stack的介绍](#1.1 stack的介绍)

[1.2 stack的使用](#1.2 stack的使用)

[1.3 stack 的模拟](#1.3 stack 的模拟)

[2. queue的介绍和使用](#2. queue的介绍和使用)

[2.1 queue的介绍](#2.1 queue的介绍)

[2.2 queue的使用](#2.2 queue的使用)

[2.3 queue的模拟](#2.3 queue的模拟)

3.适配器

[3.1 什么是适配器](#3.1 什么是适配器)

[3.2 STL标准库中stack和queue的底层结构](#3.2 STL标准库中stack和queue的底层结构)

[3.3 deque 的介绍（了解）](#3.3 deque 的介绍（了解）)

[3.3.1 deque的原理](#3.3.1 deque的原理)

[3.3.2 deque 的缺陷](#3.3.2 deque 的缺陷)

[3.4 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现](#3.4 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现)

[3.4.1 stack 的模拟](#3.4.1 stack 的模拟)

[3.4.2 queue 的模拟](#3.4.2 queue 的模拟)

测试代码参考

结束语

前言

在数据结构部分我们通过C实现了栈和队列，本节我们将了解C++版本下的

stack和queue。我们将会很轻松的学习这部分知识。

1.stack的介绍和使用

1.1 stack的介绍

后进先出

1.2 stack的使用

|----------------------|---------------------|
| 函数加接口说明 | 函数加接口说明 |
| stack() 构造空的栈 | empty()检测stack是否为空 |
| size()返回stack中元素的个数 | top()返回栈顶元素的引用 |
| push()将元素val压入stack中 | pop()将stack中尾部的元素弹出 |

cpp 复制代码 
void test_stack() {
	stack<int>s1;
	s1.push(1);
	s1.push(2);
	s1.push(3);
	s1.push(4);
	s1.push(5);
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.top() << endl;
	s1.pop();
	cout << s1.top() << endl;
}

1.3 stack 的模拟

stack我们是先进先出，并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。

我们将vector设为私有成员

cpp 复制代码 
#include <vector>
namespace my_stack {
	template <class T>
	class stack {
	public:
		stack() {
		}
		void push(const T& x) {
			c.push_back(x);
		}
		void pop() {
			c.pop_back();
		}
		const T& top() {
			return c.back();
		}
		size_t size()const {
			return c.size();
		}
		bool empty()const {
			return c.empty();
		}
	private:
		std::vector<T> c;
	};
}

这样子实现有个缺陷，如果我们需要实现一个链式栈就无法，可能会想到改成list，但是很麻烦。

我们可以导入一个容器类来进行实现。在后面的适配器我们会讲到。

2. queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

1. 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。

2. 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。

3. 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_back：在队列尾部入队列 pop_front：在队列头部出队列

4. 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。

2.2 queue的使用

cpp 复制代码 
void test_queue() {
	queue<int>q1;
	q1.push(1);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	q1.push(4);
	q1.push(5);
	cout << q1.size() << endl;
	cout << q1.front() << endl;
	cout << q1.back() << endl;
	q1.pop();
	cout << q1.front() << endl;

}

2.3 queue的模拟

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。

cpp 复制代码 
#include <list>
namespace my_queue {
	template <class T>
	class queue {
	public:
		queue() {
		}
		void push(const T& x) {
			c.push_back(x);
		}
		void pop() {
			c.pop_back();
		}

		 T& back()  {
			return  c.back();
		}
		 T& front() const 
			return  c.front();
		}
		
		size_t size()const {
			return c.size();
		}
		bool empty()const {
			return c.empty();
		}
	private:
		std::list<T> c;
	};
}

通过官方的queue和stack我们可以看到，在类模版中都定义了一个class Container=deque<T>;

所以我们同样类似这样子写，在后续我们会讲解deque的知识。

cpp 复制代码 
namespace my_stack {
	template <class T,class Container=vector<T>>
	class stack {
	public:
		stack() {
		}
		void push(const T& x) {
			con.push_back(x);
		}
		void pop() {
			con.pop_back();
		}
		const T& top() {
			return con.back();
		}
		size_t size()const {
			return con.size();
		}
		bool empty()const {
			return con.empty();
		}
		const T& front() const
		{
			return con.front();
		}

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

	private:
		Container con;
	};
}

这样我们既可以写顺序栈也可以链式栈

my_stack::stack<int,vector<int>>s1;

my_stack::stack<int,list<int>>s1；

这里我们使用了vector来当默认参数，而在方法中却穿插了链表的方法，编译时却没有报错，这是因为这是类模版，在主函数类模板实例化时，按需实例化，使用哪些成员函数就实例化哪些，不会全实例化，所以当我们使用vector的时候，不调用list的方法就行了。

cpp 复制代码 
#include <list>
namespace my_queue {
	template<class T, class Container = list<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

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

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

3.适配器

3.1 什么是适配器

适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设 计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。

3.2 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和队列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：

3.3 deque 的介绍（了解）

3.3.1 deque的原理

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。

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：

**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：

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？ 如下图所示

3.3.2 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

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()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。

3.4 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

3.4.1 stack 的模拟

cpp 复制代码 
#include<deque>
namespace my_stack
{
	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;
	};
}

3.4.2 queue 的模拟

cpp 复制代码 
#include<deque>
#include <list>
namespace my_queue
{
	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;
	};
}

测试代码参考

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <stack>
#include <queue>
using namespace std;
#include "stack.h"
#include "queue.h"
void print() {

}
void test_stack() {
	stack<int>s1;
	s1.push(1);
	s1.push(2);
	s1.push(3);
	s1.push(4);
	s1.push(5);
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.top() << endl;
	s1.pop();
	cout << s1.top() << endl;
}
void test_queue() {
	queue<int>q1;
	q1.push(1);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	q1.push(4);
	q1.push(5);
	cout << q1.size() << endl;
	cout << q1.front() << endl;
	cout << q1.back() << endl;
	q1.pop();
	cout << q1.front() << endl;

}
int main() {
	//test_stack();
	//test_queue();
	/*
	my_stack::stack<int,list<int>>s1;
	s1.push(1);
	s1.push(2);
	s1.push(3);
	s1.push(4);
	s1.push(5);
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.top() << endl;
	s1.pop();
	cout << s1.top() << endl;
	cout << s1.back() << endl;
	cout << s1.front() << endl;
	*/
	
	my_queue::queue<int> q1;
	q1.push(1);
	q1.push(2);
	q1.push(3);
	q1.push(520);
	q1.push(1314);
	cout << q1.back() << endl;
	cout << q1.front() << endl;
	q1.pop();
	cout << q1.back() << endl;
	cout << q1.front() << endl;
	
     my_stack::stack<int> q2;
	q2.push(1);
	q2.push(2);
	q2.push(3);
	q2.push(520);
	q2.push(1314);
	cout << q2.top() << endl;
	cout << q2.top()<< endl;
	q2.pop();
	cout << q2.top() << endl;
	const my_stack::stack<int>& crefMyStack = q2;
	cout << "Top element (const) is: " << crefMyStack.top() << endl;

	return 0;
}

结束语

本次博客内容就到此结束了。理所当然C++下的stack和queue的实现更加的简便和多种多样！

最后感谢各位友友们的捧场和支持，给小编留个赞吧！！！

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