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)
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:
container adapters
iterator adapters
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。
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
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;
}
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。
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;
}
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。
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
和栈一样,队列也有两个模板参数:
T
队列中的元素类型,同时也是底层容器中的元素类型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;
}
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;
}
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
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
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
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。
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:
(下标 - 前预留位) / 单个数组长度
获取对应小数组位置(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
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。