【C++初阶】十、STL---stack&&queue（总）

枫叶先生
175 阅读7分钟

一、stack介绍和使用

1.1 stack的介绍

stack的文档介绍

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

使用 stack 要包含 stack 的头文件：

#include <stack>

 注意：stack 是容器适配器，不是容器，前面学习的 vector 和 list 是是容器，stack 也没有了迭代器，因为迭代器不支持 stack 的特性（后进先出）

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

 class Container = deque第二个模板参数，stack 默认使用的适配器是 deque

1.2 stack的使用

成员函数只有这几个：

        先介绍最常用的，C++11 的一些接口后面学习会再次学，这里暂时不用 C++11 的接口，前面的 vector、string和list也是

函数说明接口说明
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
stack()构造空的栈

stack 的构造函数只有一个，即空构造

测试代码

void Test_stack()
{
	stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	st.push(5);
	st.push(6);
	cout << "size:" << st.size() << endl;
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;
}

 运行结果

二、queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

queue的文档介绍

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

使用 queue 要包含 queue 的头文件

#include <queue>

 注意：queue 也是容器适配器，queue 也没有了迭代器，因为迭代器不支持 queue 的特性（先进先出）

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

class Container = deque 是 queue 第二个模板参数，queue 默认使用的适配器也是 deque

2.2 queue的使用

成员函数也是只有几个：

C++11的接口先不介绍 

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

queue 的构造函数只有一个，即空构造

        stack 和 queue 的析构函数都不用自己写，默认生成的析构会自动调用适配器的析构

queue测试代码

void Test_queue()
{
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	q.push(6);
	cout << "size: " << q.size() << endl;
	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
}

运行结果

三、容器适配器 

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

设计模式有许多种，其中 适配器 和 迭代器 便是设计模式的一种 

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

四、deque简单了解

        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

注意：deque 虽然也有队列二字，但是不符合队列的特性

        deque 就是 vector 和 list 的优点的聚合体，但不是那么的完美，也有缺点：

  1. 下标随机访问有一定的消耗，没有vector快
  2. 中间插入删除，也有一定的消耗，相比list的中间插入删除，不够极致，没有list快

使用 deque 要包含头文件：

#include <deque>

        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： 

简单看一下deque 是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构：

简单来说，deque 是由中控指针数组 map 控制的，map 里面的指针指向一段段的数组空间

deque的缺陷：

  1. 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，因此其效率是必vector高的
  2. 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
  3. 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

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：

  • 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
  • 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。

五、stack模拟实现

stack 和 queue 模拟实现很简单，就不解释了

Stack.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
using namespace std;

namespace fy
{
	//template<class T, class Container = vector<T>>
	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()
		{
			return _con.back();
		}

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

Test.h

#include "Stack.h"

void Test_stack()
{
	fy::stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	st.push(5);
	st.push(6);
	cout << "size:" << st.size() << endl;
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Test_stack();
	return 0;
}

运行结果

六、queue模拟实现

Queue.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <list>
#include <deque>
using namespace std;

namespace fy
{
	//template<class T, class Container = list<T>>
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};
}

Test.h

#include "Queue.h"

void Test_queue()
{
	fy::queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.push(5);
	q.push(6);
	cout << "size: " << q.size() << endl;
	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
}

int main()
{
	Test_queue();
	return 0;
}

运行结果

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文章到这里就结束了，下一篇即将更新

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