C++ STL | 容器适配器

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

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:

deque的简单介绍

deque****的原理介绍

**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。

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,为了管理这些连续空间,deque 容器用中控数组(数组名假设为 map)存储着各个连续空间的首地址。也就是说,map 数组中存储的都是指针,指向那些真正用来存储数据的各个连续空间。

通过建立 map 数组,deque 容器申请的这些分段的连续空间就能实现"整体连续"的效果。

当 deque 容器需要在头部或尾部增加存储空间时,它会申请一段新的连续空间,同时在 map 数组的开头或结尾添加指向该空间的指针,由此该空间就串接到了 deque 容器的头部或尾部。

当中控数组map数组满了的时候,再申请一块更大的连续空间供 map 数组使用,将原有数据(很多指针)拷贝到新的 map 数组中,然后释放旧的空间。

deque的迭代器

deque 的迭代器设计要比我们之前学习的 list 的迭代器复杂得多,list 的迭代器内部只封装了一个指针,而 deque 的迭代器内部封装了 4 个指针,分别是 cur、first、last、node。

借助这张deque的迭代器原理图,也就能理解为什么deque在头尾两端进行插入和删除操作的时间复杂度为O(1)

  • cur **:**指向当前要访问的位置
  • **first:**指向对应 buffer 数组的开始位置
  • last **:**指向对应 buffer 数组的结束位置
  • node **:**一个二级指针,指向中控数组中当前访问的 buffer 数组的地址

对于cur、first、last都是T*类型的一级指针,而node是T**类型的二级指针,当cur指针遍历buffer数组一直++到结束last后,再遍历需要找到下一个buffer数组,即通过node二级指针+1即可,+1后存的就是下一个buffer数组的地址,随后再遍历。

deque完整的底层结构示意图:

对于start迭代器:first和last指向第一个buffer数组的开始和结束位置,cur指向第一个位置,相当于一个begin迭代器

对于finish迭代器:first和last指向最后一个buffer数组的开始和结束位置,cur指向最后一个buffer数组的最后一个数据的下一个位置,相当于一个end迭代器

由此我们可以通过类似如下的方式进行遍历:

cpp 复制代码
auto it = begin();
while (it != end())
{
    cout << *it << " ";
    ++it;
}

对于deque结构,它在插入数据时也方便了很多,效率比vector和list要高(尾插在finish,头插在start)

尾插:找到finfish迭代器,当cur != last时,说明还有位置,直接插入,然后++cur即可。当cur == last时,说明没有位置了,需要重新开辟一个buffer数组,并且需要更改原finish迭代器的四个指针指向地址

头插:新开一个buffer数组,插入的数据要放在新开buffer数组的最后一个位置,这样才能确保cur++是连续的,重新更改start迭代器四个指针的指向即可

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。此外还支持随机访问。cpu高速缓存命中率高。
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。

deque也不适合中部的插入删除,因为要挪动数据,效率低。

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:

  • 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。

结合了deque的优点,而完美的避开了其缺陷。

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