【C++】STL中stack和queue的模拟实现&&deque讲解

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list模拟实现	list的模拟实现下星期补上来

stack和queue的认识

stack和queue相必大家并不陌生，那么STL是如何实现的呢？它们俩虽然可以存放元素，但被归列在Container adaptors容器适配器中，先来认识一下什么是适配器

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。
简单来说就是将别人的东西贴上自己的标签变成自己的东西（套娃）

stack和queue的底层

既然stack和queue是适配器，那么它们俩的底层就是对其他容器的接口进行封装变为自己的接口。

• stack是后进先出LIFO，尾插尾删list和vector都可以实现
• queue是先进先出FIFO，尾插头删用list更合适

那么stack的底层是不是这样呢

namespace k
{	
	template<class T>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x);
		void pop();
		const T& top() const;
	private:
		vector<T> _v;
	};
}

或是这样，给个缺省参数vector或是list

namespace king
{	
	template <class T, class Container = vector<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x);
		void pop();
		const T& top() const;
	private:
		Container<T> _con;
	};
}

stack的底层确实是这样的，但是缺省参数不是vector也不是list而是deque（双端队列）

template <class T, class Container = deque<T> > class stack;

deque的原理

deque的出现实际上是为了融合list和vector的优点，从而代替它们，显然vector和list并没有被代替

• vector的优点：支持下标随机访问，尾插尾删效率高，CPU高速缓存命中率高
• vector的缺点：不适合头插头删，时间复杂度O(N)，可能存在空间浪费，需要异地扩容时效率低
• list的优点：按需申请空间，不存在空间浪费，任意位置插入删除的时间复杂度O(1)
• list的缺点：不支持下标随机访问，频繁的申请空间

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，不需要存储额外字段。

但deque并不是真正的连续空间（空间连续了但没完全连续），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：
当然为了能够支持随机访问，deque的iterator迭代器就设计的十分复杂了
deque的迭代器封装了四个指针，first和last用来指向buffer的头尾，cur用来遍历buffer，然后将node指向中控数组对应位置

最后还有指向头尾buffer的start和first

deque的优缺点

vector的随机访问和list的任意位置插入删除O(1)的时间复杂度做到了极致，而deque的中间位置的插入删除和随机访问的效率都差强人意，所以deque是无法替代vector和list的

• 与vector相比，deque的优势：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，直接开新的buffer，顶多是中控数组需要扩容，也不需要搬移大量的元素因此其效率是必vector高的。
• 与list相比，deque的优势：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（prev和next）

但deque有一个致命的缺点：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，还不如直接拷贝到vector中再遍历，但是对stack和queue来说恰好是不需要遍历，所以STL将deque用其作为stack和queue的底层数据结构

选择deque的原因

stack是LIFO的结构，因此只需要有push_back和pop_back操作都可以作为stack的结构，如vector和list
queue是FIFO的结构，因此只需要有push_back和pop_front操作都可以作为queue的结构，如list

但为何选择deque呢？

• stack和queue不需要遍历（没有迭代器），刚好不需要用到deque的缺点，只需要固定的一端（stack）或两端（queue）操作
• 在stack中扩容时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中扩容时，deque不仅效率高，而且cache命中率高，内存使用率高，不会存在很多内存碎片

所以deque虽然没能代替vector和list，但是适合stack和queue使用

既然是容器适配器，那么实现起来就非常简单了，只需要调用deque的接口就可以了，和调用vector和list的接口类似

stack和queue的模拟实现

插入1 2 3 4后stack和queue的pop顺序

Stack.h

#pragma once
//#include 
#include 
using namespace std;

namespace king
{	
	template <class T, class Container=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();
		}
		T& top() 
		{
			return _con.back();
		}
		int size() const
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
	void stack_test1()
	{
		//stack的第二的参数默认是deque，但我们也可以用vector
		//不过还是用deque好
		//stack> st;
		stack<int> st;
		st.push(1);
		st.push(2);
		st.push(3);
		st.push(4);
		cout << "stack->  ";
		while (!st.empty())
		{	
			cout << st.top() << " ";
			st.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

Queue.h

#pragma once
#include 
using namespace std;

namespace king
{	
	template<class T, class Container=deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
		int 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();
		}
	    T& front() 
		{
			return _con.front();
		}
		T& back() 
		{
			return _con.back();
		}
	private:
		Container _con;
	};
	void queue_test1()
	{
		queue<int> q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);
		cout << "queue->  ";
		while (!q.empty())
		{	
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

Test.cpp

#include 
#include "Stack.h"
#include "Queue.h"

int main()
{	
	king::stack_test1();
	king::queue_test1();

	return 0;
}