STL之Stack与queue的模拟实现与duque的底层结构（3千字长文详解）

STL之Stack与queue的模拟实现与duque的底层结构

设计模式的概念

设计模式像是古代的兵法，是以前的人总结出来的一些在特定的情况下，某种特定的好用的方法总结

STL中迭代器也是一种设计模式——迭代器模式

STL中stack和queue的实现就是使用了一种设计模式——适配器模式！

适配器模式

那么什么叫做适配器模式呢？现实中什么东西可以被叫做适配器？

例如手机充电头！——就是一种电源适配器！我们日常的电源一般都是220v，但是手机一般的充电功率都是几v！如果不使用电源适配器，那么直接充电很容易会让手机坏掉！

所以适配器模式是什么？适配器模式就是一种转换！用已有的东西转换出我们现在想要的东西！

上面提到的迭代器模式就是不暴露底层细节，封装后提供同一的方式来访问容器

如果我们使用适配器模式，我们去手动实现一个stack和queue，那么我们就要从头开始进行设计

//例如
template<class T>
class Stack
{
public:
    //里面实现各种函数
private:
    T* _a;
    size_t _size;
    size_t capacity;
}

但是我们其实没有必要做那么多重复的工作！vector已经帮我们实现了很多我们必要的东西！我们可以通过适配器模式的思想将vector转换为stack！（list也可以）

stack的实现

#include 
#include 
namespace MySTL
{
	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();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}
//test.cpp
//测试代码
int main()
{
	MySTL::stack<int, vector<int>> s1;
	//MySTL::stack> s1;
	s1.push(1);
	s1.push(2);
	s1.push(3);
	s1.push(4);
	s1.push(5);

	while (!s1.empty())
	{
		cout << s1.top() << " ";
		s1.pop();
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

Container 这个模板参数的意义就在于能够让我们哦stack更加的灵活！因为无论是vector实现的栈和list实现的栈都有各自的优点！都难以互相代替！既然如此就将其写成一个模板参数！需要的时候就替换！

我们可以给这个模板参数一个缺省值默认是vector,想要的适合再进行替换！

queue的实现

#include
#include
namespace MySTL
{
	template<class T,class Container = std::list<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);//尾插
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_front();//头删
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		const T& front()//获取头元素
		{
			return _con.front();
		}
		const T& back()//获取尾元素
		{
			return _con.back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}	
	private:
		Container _con;
	};
}

//test.cpp
#include "queue.h"
int main()
{
	MySTL::queue<int> s1;
	//MySTL::queue> s1;
    //MySTL::queue> s1;
	s1.push(1);
	s1.push(2);
	s1.push(3);
	s1.push(4);
	s1.push(5);

	while (!s1.empty())
	{
		cout << s1.front() << " ";
		s1.pop();
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

 MySTL::queue<int,vector<int>> s1;

这个使用vector的时候，使用pop的会报错！因为vector是不支持pop_front！

也不提倡使用vector作为队列的底层！因为这样子头删的效率会很低！是O(N)

stack和queue虽然说是容器！但是准确的说是容器适配器！——是用容器适配转换出来的！

双端队列——deque

我们可以看到库里面的stack和queue全部的默认容器其实不是list和vector！而是deque——这是双端队列！

为什么是用deque这个容器呢？——这就不得不提到vector和list的缺点了！

vector缺点

1. 头部,中部插入删除的效率低
2. 扩容存在消耗
3. 不支持头删！——pop_front ，也就是说不支持队列！

list缺点

1. 不支持随机访问！
2. CPU高速缓存的命中率低！

所以为了兼具list和vector的优点，于是有了双端队列这一个数据结构！

兼具这list和vector的所有操作！有着list和vector的优点！既可以头插头删，又可以随机访问！

#include
#include
using namespace std;

int main()
{
	deque <int> d;
	d.push_back(1);
	d.push_back(2);
	d.push_back(3);
	d.push_back(4);

	d.push_front(10);
	d.push_front(20);

	for (size_t i = 0; i < d.size(); i++)
	{
		cout << d[i] << " ";
	}

	return 0;
}

看起来deque十分的完美？但是真的是这样吗？

其实不是的！如果deque真的那么的完美，那么vector和list就不需要存在了！

deque的底层结构

这里我们简单的介绍一下deque的底层结构！

deque是由多个buff数组构成的！——而由一个==中控数组（指针数组）==来管理所有的buff数组

等一个buff数组满了之后，如果对于一般的vector，就应该开始扩容，但是对于deque，不会进行扩容，而是开第二个buff数组

第二个buff满了就开下一个，直到中控数组的也满了之后！才需要对中控数组进行扩容！

上面的插入操作都是尾插！

如果要进行头插呢？——是要挪动位置吗？不是！而是也是新开一个数组！

头插插入那个buff数组最右边开始！

这样子设计，它的CPU缓冲区命中率也可以，头插效率也不错！——虽然看上去也会有空间浪费！但是其实buff数组一般都比较小，相比vector一次性二倍扩或者1.5倍扩，造成的浪费是可以接受的！

那么这个deque的随机访问是如何实现的？

这也是deque的第一个问题，随机访问有一定的消耗！没有vector的随机访问效率高——但是比起list的每一次都要遍历查找效率又高很多！

那么我们还有个问题，如果我们想要在14的后面进行插入一个5要怎么办？——答案是要进行挪动！

所以这既是deque的第二个问题，对于中间的插入和删除也存在一定消耗！ 没有list的中间插入删除效率高——但是又相比vector每一次的中间插入删除都要大部分挪动，效率又更高！因为只要挪动一小部分！

所以deque是一个折中的一种方案！所以这就是为什么它被使用与stack和queue的默认容器！相比vector没有扩容，相比list高速缓存命中率也不错！

中间插入删除少，头插头删，尾插尾删多，偶尔随机下标访问的时候使用deque是不错的！

但是如果要大量的进行随机访问或者进行排序还是得使用vector！

有差不多两倍的性能差距！

如果要大量的中间插入删除还是得使用list

因为deque的模拟实现十分的复杂，我们这里就不进行模拟实现了！

如果有兴趣读者可以看《STL源码剖析》这本书去深入钻研