stackqueue的模拟实现
迪丽瓦拉
2025-05-28 21:41:05
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容器适配器

STL标准库中stack和queue的底层结构

deque的简单介绍(了解)

deque原理介绍

deque的优缺点 

为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器 

stack的模拟实现

queue的模拟实现


容器适配器

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。


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queue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容器。我们在stack和queue的类模板声明当中可以看出,它们的模板参数有两个,第一个是stack和queue当中所存储的元素类型,而另一个就是指定使用的容器类型。

 


deque的简单介绍(了解)

 在我们了解deque之前,我们先看一下vector和list的简要对比:

  • vector的优缺点:
                                   vector
       优点

1、适合尾插尾删

2、适合随机访问

3、cpu高速缓存命中高

       缺点

1、不适合头部或者中间插入删除,效率低,需要挪动数据

2、扩容有一定的性能消耗,还存在一定的空间浪费

  • list的优缺点:

                                       list

       优点

1、任意位置插入删除效率高。O(1)

2、按需申请释放空间

       缺点

1、不支持随机访问

2、cpu高速缓存命中低

  • 而deque就是综合了vector和list的优缺点设计出来的:

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原理介绍

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,为了管理这些连续空间,deque 容器用中控数组(数组名假设为map)存储着各个连续空间的首地址。也就是说,map数组中存储的都是指针,指向那些真正用来存储数据的各个连续空间(如下图所示)。

通过建立 map 数组,deque 容器申请的这些分段的连续空间就能实现“整体连续”的效果。换句话说,当 deque 容器需要在头部或尾部增加存储空间时,它会申请一段新的连续空间,同时在 map 数组的开头或结尾添加指向该空间的指针,由此该空间就串接到了 deque 容器的头部或尾部。

当中控数组map数组满了的时候,再申请一块更大的连续空间供 map 数组使用,将原有数据(很多指针)拷贝到新的 map 数组中,然后释放旧的空间。


deque的优缺点 

  • 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。此外还支持随机访问。cpu高速缓存命中率高。
  • 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。deque也不适合中部的插入删除,因为要挪动数据,效率低。

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。
  • 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。


stack的模拟实现

我们知道了容器适配器后,stack的模拟实现就非常简单了,我们只需要调用所指定容器的各个成员函数即可实现stack的各个函数接口。

     成员函数             函数作用           实现方法
 push元素入栈调用所指定容器的push_back
 pop元素出栈调用所指定容器的pop_back
 top获取栈顶元素调用所指定容器的back
 size获取栈中有效元素个数调用所指定容器的size
 empty判断栈是否为空调用所指定容器的empty

 swap

交换两个栈中的数据调用所指定容器的swap
  • 代码实现:
namespace Fan 
{template>class stack{public://元素入栈void push(const T& x){_con.push_back(x);}//元素出栈void pop(){_con.pop_back();}//获取栈顶元素T& top(){return _con.back();}const T& top()const{return _con.back();}//获取栈中有效元素的个数size_t size()const{return _con.size();}//判断栈是否为空bool empty()const{return _con.empty();}//交换两个栈中的数据void swap(stack& st){_con.swap(st._con);}private:Container _con;};
}

queue的模拟实现

利用同样的方式,我们也是通过调用所指定容器的各个成员函数来实现queue的。

 成员函数          函数作用                实现方法
push队尾入队列调用所指定容器的push_back
pop队头出队列调用所指定容器的pop_back
front获取队头元素调用所指定容器的front
back获取队尾元素调用所指定容器的back
size获取队列中有效元素个数调用所指定容器的size
empty判断队列是否为空调用所指定容器的empty
swap交换两个队列中的数据调用所指定容器的swap
  • 代码实现:
namespace Fan 
{template>class queue{public://队尾入队列void push(const T& x){_con.push_back(x);}//队头出队列void pop(){_con.pop_front();}//获取队头元素T& front(){return _con.front();}const T& front()const{return _con.front();}//获取队尾元素T& back(){return _con.back();}const T& back()const{return _con.back();}//获取队列中有效元素个数size_t size()const{return _con.size();}//判断队列是否为空bool empty()const{return _con.empty();}//交换两个队列中的数据void swap(queue& q){_con.swap(q._con);}private:Container _con;};
}

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