C++(STL容器适配器)

前言:

适配器也称配接器(adapters)在STL组件的灵活组合运用功能上,扮演着轴承、转换器的角色。

《Design Patterns》对adapter的定义如下:将一个class的接口转换为另一个class的接口,使原本因接口不兼容而不能合作的classes可以一起运作。


目录

1 配接器概观与分类

​编辑 2 stack(栈)

2.1常用接口介绍 

2.2模拟实现

 3.queue(队列)

 3.1接口函数

3.2模拟实现

​编辑 4.小结

​编辑 5 deque(双端队列)



1 配接器概观与分类

stl所提供的各种配接器中,改变仿函数(functors)接口的,我们称作 function adapter,改变容器(containers)接口的,我们称为 container adapter,改变迭代器(iterators)接口的,我们称为 iterator adapter。 所以大致可以分为三类:

  • 容器适配器 :container adapters
  • 迭代器适配器: iterator adapters
  • 仿函数适配器 :functor adapters

其中,容器适配器 可修改底层为指定容器,STL提供的两个容器 stack和queue 其实都只不过是一种适配器可以由 vector 构成的栈、由 list 构成的队列,最好由 deque修饰(文末会介绍);迭代器适配器可以 实现其他容器的反向迭代器(后续介绍);最后的仿函数适配器是所有适配器中数量最庞大的,适配灵活度远远高于前两者。,可以 无限制的创造出各种可能的表达式。 

C++(STL容器适配器)_第1张图片 2 stack(栈)

既然 栈可由适配器构成。我们就从栈开始 ,栈 stack 是一种特殊的数据结构,主要特点为 先进后出 FILO,主要操作有:入栈、出栈、查看栈顶元素、判断栈空等;栈在原则上是不允许进行中部或头部操作的,这样会破坏栈结构的完整性,就不叫栈了

C++(STL容器适配器)_第2张图片 

 C++(STL容器适配器)_第3张图片

从库中我们可以发现,实现栈的模板参数有两个 不带缺省值的是元素类型,同时也是适配器所需的元素类型,第二个就是适配器由deque实现。代码实现如下:

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	stack s;	//库里默认底层容器为 deque

	stack> sv;	//显示实例化底层容器为 vector
	
	stack> sl;	//显示实例化底层容器为 list

	cout << typeid(s).name() << endl;	//查看具体类型
	cout << typeid(sv).name() << endl;
	cout << typeid(sl).name() << endl;

	return 0;
}

 C++(STL容器适配器)_第4张图片

alloc是空间适配器 是库里专用的 他会层层 typedef 这里我们不多介绍后续专门介绍。 

2.1常用接口介绍 

 库里的接口都比较简单,知道接口函数,调用即可。

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	stack s;	//构造一个栈对象

	cout << "Original:>" << endl;
	cout << "empty(): " << s.empty() << endl;
	cout << "size(): " << s.size() << endl;

	cout << endl << "Push:>" << endl;
	s.push(1);	//入栈3个元素
	s.push(2);
	s.push(3);
	cout << "empty(): " << s.empty() << endl;
	cout << "size(): " << s.size() << endl;
	cout << "top(): " << s.top() << endl;

	cout << endl << "Pop:>" << endl;
	s.pop();	//出栈两次
	s.pop();
	cout << "empty(): " << s.empty() << endl;
	cout << "size(): " << s.size() << endl;
	cout << "top(): " << s.top() << endl;

	return 0;
}

2.2模拟实现

我们选择使用vector作为适配器模拟实现 ,代码如下:

#pragma once
#include 

using namespace std;

namespace cmx
{
	//这里选择模板参数2 底层容器 的缺省值为 vector
	template>
	class stack
	{
	public:
		//需要提供一个带缺省参数的构造函数,因为默认构造函数不接受传参
		stack(const Container& con = Container())
			:_con(con)
		{}

		//不需要显式的去写析构函数,默认生成的够用了
		//同理拷贝构造、赋值重载也不需要

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

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

		//top 需要提供两种版本
		T& top()
		{
			return _con.back();
		}

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

		//选取的底层容器必须支持尾部操作
		void push(const T& val)
		{
			_con.push_back(val);
		}

		void pop()
		{
			//空栈不能弹出,可在底层容器中检查出来
			_con.pop_back();
		}

	private:
		Container _con;	//成员变量为具体的底层容器
	};
}

从上述代码中,我们可以看到我们可以利用vector的pushback作为我push的接口,适配器的厉害之处就在于 只要底层容器有我需要的函数接口,那么我就可以为其适配出一个容器适配器,比如 vector 构成的栈、list 构成的栈、deque 构成的栈,甚至是 string 也能适配出一个栈,只要符合条件,都可以作为栈的底层容器,当然不同结构的效率不同,因此库中选用的是效率较高的 deque 作为默认底层容器。

C++(STL容器适配器)_第5张图片 

 3.queue(队列)

 队列 queue 是另一种特殊的数据结构,遵循先进先出 FIFO,主要操作:入队、出队、判断队空、查看队头尾元素等

C++(STL容器适配器)_第6张图片 C++(STL容器适配器)_第7张图片

 

和栈一样,队列也有两个模板参数:

  • 参数1:T 队列中的元素类型,同时也是底层容器中的元素类型
  • 参数2:Container 实现队列时用到的底层容器,这里为缺省参数,缺省结构为 双端队列 deque

创建队列对象时,我们也可以指定其底层容器:

#include 
#include
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	queue qDeque;	//默认使用 deque
	queue> qVector;	//指定使用 vector
	queue> qList;	//指定使用 list

	cout << typeid(qDeque).name() << endl;	//查看具体类型
	cout << typeid(qVector).name() << endl;
	cout << typeid(qList).name() << endl;
	return 0;
}

 3.1接口函数

常见接口的使用 代码如下:

 

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	queue q;	//构建出一个队列对象

	cout << "Original:>" << endl;
	cout << "empty(): " << q.empty() << endl;
	cout << "size(): " << q.size() << endl;

	cout << endl << "Push:>" << endl;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	cout << "empty(): " << q.empty() << endl;
	cout << "size(): " << q.size() << endl;
	cout << "front(): " << q.front() << endl;
	cout << "back(): " << q.back() << endl;

	cout << endl << "Pop:>" << endl;
	q.pop();
	q.pop();
	q.pop();
	cout << "empty(): " << q.empty() << endl;
	cout << "size(): " << q.size() << endl;
	cout << "front(): " << q.front() << endl;
	cout << "back(): " << q.back() << endl;

	return 0;
}

3.2模拟实现

 库里常见的适配器是deque,我们选用list作为底层适配器模拟实现

#pragma once
#include 

using namespace std;

namespace Yohifo
{
	template>
	class queue
	{
	public:
		queue(const Container& c = Container())
			:_c(c)
		{}

		//这里也不需要提供拷贝构造、赋值重载、析构函数

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

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

		//选取的底层容器中,已经准备好了相关函数,如 front、back
		T& front()
		{
			return _c.front();
		}
		const T& front() const
		{
			return _c.front();
		}

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

		void push(const T& val)
		{
			_c.push_back(val);	//队列只能尾插
		}

		void pop()
		{
			_c.pop_front();	//队列只能头删
		}

	private:
		Container _c;	//成员变量为指定的底层容器对象
	};
}

队列和栈在进行适配时,都是在调用已有的接口,若是特殊接口,比如 top、push、pop 等,进行相应转换即可

栈 top -> back 尾元素
栈、队列 push -> push_back 尾插
栈 pop -> pop_back 尾删
队列 pop -> pop_front 头删

C++(STL容器适配器)_第8张图片 4.小结

栈和队列在实际开发中作为一种辅助结构被经常使用,比如内存空间划分中的栈区,设计规则符合栈 FILO;操作系统中的各种队列,如阻塞队列,设计规则符合 队列 FIFO。除此以外,在很多 OJ 题中,都需要借助栈和队列进行解题 

C++(STL容器适配器)_第9张图片 5 deque(双端队列)

 双端队列是官方指定的底层容器,其结构上的特殊设计决定了它只适合于头尾操作需求高的场景:双端队列 = vector + list,设计时就想汲取二者的优点(下标随机访问 + 极致的空间使用),但鱼和熊掌不可兼得,在复杂结构的加持之下,双端队列趋于中庸,无法做到 vector 和 list 那样极致,因此实际中也很少使用,比较适合当作适配器的底层容器C++(STL容器适配器)_第10张图片

双端队列的数据结构:list + vector

利用 list 构造出一个 map 作为主控数组(通过链式结构链接),数组中元素为数组指针
利用 vector 构造出大小为 N 的小数组(缓冲区),这些小数组才是双端队列存储元素的地方
注意: 此处的 map 并非是容器 map,仅仅是名字相同。

C++(STL容器适配器)_第11张图片 

 deque 的扩容机制:只需要对中控数组 map 进行扩容,再将原 map 中的数组指针拷贝过来即可,效率比较高。

deque 中的随机访问:

  1. (下标 - 前预留位) / 单个数组长度 获取对应小数组位置
  2. (下标 - 前预留位) % 单个数组长度 获取其在小数组中的对应下标

 由此可见,单个数组大小(缓冲区大小)需要定长,否则访问时计算会比较麻烦,但长度定长后,会引发中间位置插入删除效率低的问题

对此 SGI 版的 STL 选择牺牲中间位置插入,提高下标随机访问速度,令小数组定长,这也是将它作为 栈和队列 默认底层容器的原因之一,因为 栈和队列 不需要对中间进行操作

因为中控数组是链式结构,因此双端队列的迭代器设计极为复杂

cur 指向当前需要的数据位置
first 指向 buffer 数组起始位置
last 指向 buffer 数组终止位置
node 反向指向中控数组

C++(STL容器适配器)_第12张图片

 

这个迭代器还是一个随机迭代器,因此可以使用 std::sort

无论是 deque 还是 list,直接排序的效率都不如借助 vector 间接排序效率高
deque 的缺点

中间位置插入删除比较麻烦,可以令小数组长度不同解决问题,不过此时影响随机访问效率
结构设计复杂,且不如 vector 和 list 极致
致命缺陷:不适合遍历,迭代器需要频繁检测是否移动某段小空间的边界,效率很低
凑巧的是,栈和队列 可以完美避开所有缺陷,全面汲取其优点,因此 双端队列 为容器适配器的默认底层容器。

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