【STL】：stack和queue介绍和模拟实现

朋友们、伙计们，我们又见面了，本期来给大家解读一下有关stack和queue的使用，如果看完之后对你有一定的启发，那么请留下你的三连，祝大家心想事成！

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目录

1. stack的介绍和使用

1.1 stack介绍

2.2 stack使用

2. queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

2.2 queue的使用

3. 容器适配器

3.1 什么是适配器

3.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

3.3 deque的简单介绍

3.3.1 deque的简单原理

3.3.2 deque的缺陷 

3.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

4. stack的模拟实现

5. queue的模拟实现 

---

1. stack的介绍和使用

1.1 stack介绍

stack文档详细介绍

1. stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与提取操作。

2. stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。

3. stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下

操作：

•         empty：判空操作
•         back：获取尾部元素操作
•         push_back：尾部插入元素操作
•         pop_back：尾部删除元素操作

4. 标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque。

2.2 stack使用

函数说明	接口说明
stack()	构造空的栈
empty()	检测stack是否为空
size()	返回stack中元素的个数
top()	返回栈顶元素的引用
push()	将元素val压入stack中
pop()	将stack中尾部的元素弹出

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
	stack st1;
	stack> st2;

	int cnt = 10;
	while (cnt--)
	{
		st1.push(cnt);
	}

	int sz = st1.size();

	while (!st1.empty())
	{
		cout << st1.top() << " ";
		st1.pop();
	}

	return 0;
}

2. queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

queue文档详细介绍

1. 队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO上下文(先进先出)中操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素。

2. 队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。

3. 底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作:

• empty：检测队列是否为空
• size：返回队列中有效元素的个数
• front：返回队头元素的引用
• back：返回队尾元素的引用
• push_back：在队列尾部入队列
• pop_front：在队列头部出队列

4. 标准容器类deque和list满足了这些要求。默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque。

2.2 queue的使用

函数声明	接口说明
queue()	构造空的队列
empty()	检测队列是否为空，是返回true，否则返回false
size()	返回队列中有效元素的个数
front()	返回队头元素的引用
back()	返回队尾元素的引用
push()	在队尾将元素val入队列
pop()	将队头元素出队列

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
	queue qe1;
	queue> qe2;

	int cnt = 10;
	while (cnt--)
	{
		qe1.push(cnt);
	}

	int sz = qe1.size();

	while (!qe1.empty())
	{
		cout << qe1.front() << " ";
		qe1.pop();
	}

	return 0;
}

3. 容器适配器

3.1 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。

3.2 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：

3.3 deque的简单介绍

3.3.1 deque的简单原理

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，其底层结构如下图所示：

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：
 

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
 

3.3.2 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。

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。

3.4 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：

• 1. 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。
• 2. 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。

4. stack的模拟实现

使用deque来对stack进行适配

#pragma once
#include 
#include 

namespace ywh
{
	template>
	class my_stack
	{
	public:
		//插入
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		//删除
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		//栈顶
		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		//检测空
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		//元素个数
		int size()
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

#include "my_stack.h"
void test_stack()
{
	ywh::my_stack> st1;
	int cnt = 20;
	while (cnt--)
	{
		st1.push(cnt);
	}
	cout << st1.size() << endl;
	while (!st1.empty())
	{
		cout << st1.top() << " ";
		st1.pop();
	}
	cout << endl;
	cout << st1.size() << endl;
}

5. queue的模拟实现 

#pragma once
#include 
#include 

namespace ywh
{
	template>
	class my_stack
	{
	public:
		//插入
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		//删除
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		//栈顶
		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		//检测空
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		//元素个数
		int size()
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

#include "my_queue.h"
void test_queue()
{
	ywh::my_queue qe;
	ywh::my_queue> qe1;
	int cnt = 20;
	while (cnt--)
	{
		qe1.push(cnt);
	}
	cout << qe1.size() << endl;
	while (!qe1.empty())
	{
		cout << qe1.front() << " ";
		qe1.pop();
	}
	cout << endl;
	cout << qe1.size() << endl;
}

朋友们、伙计们，美好的时光总是短暂的，我们本期的的分享就到此结束，欲知后事如何，请听下回分解~，最后看完别忘了留下你们弥足珍贵的三连喔，感谢大家的支持！