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💗系列专栏： 【C语言详解】 【数据结构详解】【C++详解】

目录

1. stack的介绍和使用

1.1 stack的介绍

​1.2 stack的使用

1.3 stack 模拟实现

2. queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

2.2 queue的使用

2.3 queue的模拟实现

3. deque的简单介绍

3.1 deque的原理介绍

3.2 deque的优势

3.3 deque的缺陷

3.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

总结

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1. stack的介绍和使用

1.1 stack的介绍

stack文档介绍https://cplusplus.com/reference/stack/stack/?kw=stack

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，其中元素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。

1.2 stack的使用

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

代码演示：

void test_stack()
{//stack<int, deque<int>> st;stack<int> st;//实例化栈st.push(1);//入栈st.push(2);st.push(3);st.push(4);cout << "size() = " << st.size() << endl;//计算栈的元素个数//打印栈的元素while (!st.empty())//判断栈是否为空{cout << st.top() << " ";//打印栈顶元素st.pop();//出栈}cout << endl;
}

测试结果：

1.3 stack 模拟实现

首先我们先看看C语言中是如何定义栈的基本结构，如下：

//C语言版本
template<class T>
struct stack
{T* _a;        //存放数据，使用动态开辟内存空间int _top;     //数据个数，top-1为栈顶下标int _capacity;//容量
};

在C++中我们会使用容器适配器来实现栈，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。

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。

C++实现栈的基本结构如下： 

//T为容器中元素的类型，Container为容器的类型，默认用std::vector<T>
template<class T, class Container = vector<T>>
class stack
{
private:Container _con;
};

Container是一个模板参数，允许我们自己定义底层数据结构。默认容器为stl库中的vector<T>，也可以是stl中的其他容器，只要能达到后进先出即可。

栈的相关函数实现如下：

template<class T,class Container = deque<T>>
class stack
{
public:void push(const T& val)//入栈{_con.push_back(val);//尾插数据}void pop()//出栈{_con.pop_back();//尾删数据}const T& top()//获取栈顶元素{return _con.back();//返回最后一个数据}bool empty()//判空{return _con.empty();//调用底层容器的判空函数}size_t size()//元素个数{return _con.size();//调用底层容器的大小函数}private:Container _con;
};

注意：为了保证与库中的stack容器名字不冲突，尽量使用自己的命名空间域来实现栈。 

2. queue的介绍和使用

2.1 queue的介绍

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

代码演示：

void test_queue()
{//queue<int, deque<int>> q;queue<int> q;//实例化队列q.push(1);//入队q.push(2);q.push(3);q.push(4);cout << "size() = " << q.size() << endl;//队列元素个数//打印队列元素while (!q.empty())//判断是否为空{cout << q.front() << " ";//打印队头数据q.pop();//出队}cout << endl;
}

代码测试： 

2.3 queue的模拟实现

因为queue的接口中存在头删和尾插，而使用vector来封装效率太低，因此可以借助list来模拟实现queue。

模拟实现如下：

template<class T, class Container = list<T>>//不能使用vector，没有头删
class queue
{
public:void push(const T& val)//入队{_con.push_back(val);//尾插数据}void pop()//出队{_con.pop_front();//头删数据}const T& front()//获取队头数据{return _con.front();}const T& back()//获取队尾数据{return _con.back();}bool empty()//判空{return _con.empty();}size_t size()//获取队列大小{return _con.size();}
private:Container _con;
};

上面我们确实通过list容器实现了queue容器，但是为什么stl库默认使用的是deque容器呢？下面我们就来了解了解deque容器。

3. deque的简单介绍

3.1 deque的原理介绍

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？

3.2 deque的优势

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。

与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外空间。

3.3 deque的缺陷

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。 

总结

本篇博客就结束啦，谢谢大家的观看，如果公主少年们有好的建议可以留言喔，谢谢大家啦！