C++——STL——容器deque(简单介绍),适配器——stack，queue，priority

1.deque（简单介绍）

1.1 deque介绍：

1.2 deque迭代器底层

1.2.1 那么比如说用迭代器实现元素的遍历，是如何实现的呢？

1.2.2 头插

1.2.3 尾插

1.2.4 实现+=

编辑

1.2.5 总结

2.stack

2.1 函数介绍

2.2 模拟实现：

3.queue

3.1 函数介绍

3.2 模拟实现：

3.3 为什么选择deque来作为他们的底层容器？

4.priority_queue

4.1 priority_queue的使用

4.2 仿函数

4.2.1 基本原理

4.3 priority_queue模拟实现

5.cpu缓存知识

1.deque（简单介绍）

咱们今天讲适配器以及deque，主要讲适配器，那么讲deque是因为，stack，queue的底层都是封装的容器deque。

Container就是适配器，可以看出，官方库中都是以deque为底层容器，那么为什么呢？今天咱们就来讨论一下。

deque与queue看着是不是很像，但千万别把他们给搞混了，deque是容器，而queue是容器适配器。

1.1 deque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。它支持两端的高效插入与删除。

deque的功能也挺齐全的其实，基本上前面几个容器有的，它都具备。

核心操作：
- push_back() 和 push_front()：在两端插入元素。
- pop_back() 和 pop_front()：在两端删除元素。
- operator[] 或 at()：随机访问元素。
- front() 和 back()：访问两端元素。

那么接下来咱们呢进入重点部分，也就是deque的迭代器部分的讲解，听完这个，您就知道为什么stack与queue要选择deque作为他们的底层容器了。

1.2 deque迭代器底层

deque的迭代器更像是一块一块的动态内存块。例如上图，右方的就是他的一个一个的内存块，也可以叫缓冲区，那么这些内存块是由中间的那个中控指针数组map控制的。map中存的是指向每个内存块的指针，那么它们要是想移动内存块的时候，就只需要移动指向他们的指针即可。

当然，这个也需要扩容，但是只需要当中控数组满了的时候才去扩容，即扩容的对象就单一了。

这个图更形象，因为这个图中有控制每一个内存块的迭代器。注意看，这个迭代器中有node，这个node是个二级指针，指向中控器中的元素（一级指针）。所以，内存块的移动就是对node进行的加加或者减减。那么cur指向的是当前元素的位置，而first指向的是开始，last指向的是结尾。

1.2.1 那么比如说用迭代器实现元素的遍历，是如何实现的呢？

咱们来看这一段代码，比较两个内存块是否相等，比较cur即可，因为每个内存块的first与last的位置都是相同的，所以无法比较这两个，只有比较你当前元素的位置才可以看出你两个内存块到底相不相等。这里面也是实现的operator++，

1.先让每一个块中的cur往后走，直至走完。

2.如果说当前块中的元素遍历完了（cur==last），那么通过node来改变下一个要访问的内存块，之后更新first，last，cur的位置即可。

3.以此类推即可。

4.那么是不是可以看出遍历的时候，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（cur==last），导致效率低下。所以说deque并不适合遍历。

1.2.2 头插

头插直接在map前面拿一个内存块，在后面插入数据即可，但之后别忘了更新位置。则，头插既不需要申请空间（因为map已有空间），也不需要反复挪动数据，很高效吧。

1.2.3 尾插

注意头插是从尾部开始插入，尾插是从头部开始插入，那么这里需要注意的是，cur在这里指向的当前元素的下一个位置，是因为，咱们的迭代器都是左闭右开的，所以说，左边的可以cur可以指向当前元素（头插），因为可以取到那个数据。但是右边的cur指向的当前元素的下一个位置（尾插），这样才可以确保可以取到已经插入的那个元素。

但尾插也是很高效的。因为他也是不需要申请空间，直接从map中拿就可以了。

1.2.4 实现+=

现在比如说咱们要加等一个数，那么面临的问题是跳过几个内存块？最后的位置要落在最后一个内存块的哪个位置？那么接下来，用除（/)去确定跳过几个内存块，用取模（%）去确定最后停在内存块的第几个位置处，您想想是不是这样的一个道理。当然这个只是简单的原理，具体的实现，比较复杂，因为考虑了负数。

1.2.5 总结

OK，经过以上的讲解，大家应该知道deque的迭代器不适合用于遍历元素，因为需要频繁的判断边界是否相等。

所以，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。

咱们先来看stack与queue，最后再来说为什么选择deque作为底层容器，因为还得理解stack与queue的模拟实现。

2.stack

stack是个容器适配器，这是个新的概念，那么什么是容器适配器呢？容器适配器是建立在现有容器之上的抽象，提供不同的接口，但底层使用已有的容器实现。以我的个人见解就是这些stack，queue，priority_queue，这些的接口可以用其他的容器进行覆盖，就是说，这些容器适配器有的接口，那些对应的底层容器也是有的，这样就直接将那些底层容器封装起来，然后再实现一些这些容器适配器特有的接口，其实也是一种封装的体现。

即将底层的那些大的不同的封装起来，不让你看，让你看的就是那些自己的接口，这样虽然底层可能用不同的容器实现的，但是你表面看上去还是没什么不同，但是底层早已天差地别。这就是封装，不关心底层的实现，只关心自己的目前的接口。

2.1 函数介绍

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.

这些看着是不是很眼熟，没错，就是咱们数据结构——栈和队列那一章实现的。

2.2 模拟实现：

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

class stack

{

        public:

        void push(const T& x)

        {

                _con.push_back(x);

        }

        void pop()

        {

                _con.pop_back();

        }

        T& top()

         {

                return _con.back();

        }

        const T& top() const

        {

                return _con.back();

        }

        bool empty() const

        {

                return _con.empty();

        }

        size_t size() const

        {

                return _con.size();

        }

        private:

        Container _con;//用模板去实例化对象，这样_con可以是任何类的对象。

};

基本也就这些东西，唯一增加的就是一个容器适配器。

3.queue

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。

3.1 函数介绍

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

3.2 模拟实现：

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

class queue

{

        public:

        void push(const T& x)

        {

                _con.push_back(x);

        }

        void pop()

        {

                _con.pop_front();

        }

        T& front()

        {

                return _con.front();

        }

        const T& front() const

        {

                return _con.front();

        }

        T& back()

        {

                return _con.back();

        }

        const T& back() const

        {

                return _con.back();

        }

        bool empty() const

        {

                return _con.empty();

        }

        size_t size() const

        {

                return _con.size();

        }

        private:

        Container _con;

};

3.3 为什么选择deque来作为他们的底层容器？

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。而经过咱们上边对deque迭代器原理的讲解，可知头插与尾插的效率很高。

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.priority_queue

1. 优先队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它所包含的元素中最大的。

2. 此上下文类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索最大堆元素(优先队列中位于顶部的元素)。

3. 优先队列被实现为容器适配器，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。元素从特定容器的“尾部”弹出，其称为优先队列的顶部。

4. 底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问，并支持以下操作：

empty()：检测容器是否为空

size()：返回容器中有效元素个数

front()：返回容器中第一个元素的引用

push_back()：在容器尾部插入元素

pop_back()：删除容器尾部元素

5. 标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定的priority_queue 类实例化指定容器类，则使用vector。

6. 需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。

这里的底层容器又变了，是vector，那么问什么是vector呢？因为priority_queue的底层是堆，而堆又是以顺序表为载体实现的（后面会讲）。所以说具体的原因是：

1. vector的连续内存布局，访问元素高效，缓存友好。

2. 尾部操作（push_back和pop_back）的高效性，这对堆的调整非常重要。

3. 动态扩容的均摊时间复杂度低。

4. 相比其他容器如deque或list，vector在堆操作中的综合性能更好。

4.1 priority_queue的使用

优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用 priority_queue。注意：默认情况下priority_queue是大堆。如果想用小顶堆，就需要传入greater<T>这个仿函数。

priority_queue()/[riority_queue(first,last):构造一个空的优先级队列

empty():检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false

top():返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素

push(x):在优先级队列中插入元素x

pop():删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

在看他的模拟实现之前，先学一个知识点：仿函数

4.2 仿函数

在 C++ 中，仿函数（Functor） 是一种通过重载 operator() 运算符，使得类的对象可以像函数一样被调用的机制。它是 STL（标准模板库）中实现自定义行为的核心工具之一，常用于算法（如 sort、transform）和容器（如 priority_queue、set）的自定义逻辑中。

4.2.1 基本原理

仿函数本质是一个类对象，但通过重载 operator()，可以像函数一样调用：

例如：

class Adder {
public:int operator()(int a, int b) {return a + b;}
};int main() {Adder add;cout << add(3, 5); // 输出 8：对象像函数一样被调用
}

仿函数与普通函数的比较：

特性	仿函数	普通函数
状态管理	可以保存状态（通过成员变量）	无状态（全局变量除外）
灵活性	可作为模板参数传递	需用函数指针或 `std::function`
性能	通常可被编译器内联优化	函数指针可能无法内联
适配性	与 STL 算法/容器无缝集成	需额外适配（如 `std::ptr_fun`）

现在仿函数用到的还比较少，因为博主现在看的关于仿函数的代码比较少。那么如何创建一个仿函数呢？

定义类：创建一个类，重载 operator()。

实现逻辑：在 operator() 中定义具体行为。

传递对象：将类的实例传递给算法或容器。

OK，仿函数目前就讲这么多，接下来来看代码就可以看的懂了。

4.3 priority_queue模拟实现

template<class T>
class less
{
public:
   bool operator()(const T & s1, const T & s2)//仿函数重载的是(),不是其他的符号
   {
       return s1 < s2;
   }
};
/*template<class T>
class less<T*>
{
public:
   bool operator()( T &*const s1, T & *const s2)
   {
       return *s1 < *s2;
   }
};*/这个注释掉了
template<class T>
class greater
{
public:
   bool operator()(const T & s1, const T & s2)
   {
       return s1 > s2;
   }
};
template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>
//为什么在test.cpp中放开#include"priority_queue.h",vector就可以用了呢？
class priority_queue
{
public:
   priority_queue()//一个类创建好了，别忘了构造
   {}
   void push(const T& x)
   {
       _con.push_back(x);
       //底层是堆，所以不管插入还是删除数据，最后都别忘了再调整
       adjustup(_con.size() - 1);
   }
   void pop()
   {
       swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);

       _con.pop_back();

       adjustdown(0);

   }
   const T& top() const//这俩const是必须要加的，因为堆顶的元素是不允许
       //被更改的，一旦更改，就全都乱了，堆中元素的顺序全都乱了
   {
       return _con[0];
   }
   size_t size() const//这个返回的是个数，是size类型，不是T类型
   {
       return _con.size();
   }
   bool empty()
   {
       return _con.empty();
   }
private:
   void adjustup(int child)//parent=(child-1)/2
       //从谁开始调整，就传谁，这里先从孩子开上调整，所以先传孩子
   {
       Compare com;
       int parent = (child - 1) / 2;
       while (child > 0)
       {
           if (com( _con[parent], _con[child] ))
           {
               swap(_con[child], _con[parent]);
               child = parent;
               parent = (child - 1) / 2;
           }
           else
           {
               break;
           }
       }
   }
   void adjustdown(int parent)
   {
       Compare com;
       size_t child = parent * 2 + 1;
       while (child < _con.size())
       {
           if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child] , _con[child + 1]))
           {
               child += 1;
           }
           if (com( _con[parent], _con[child] ))//这个地方是<,return x<y,所以注意com中的顺序
           {
               swap(_con[child], _con[parent]);
               parent = child;
               child = parent * 2 + 1;
           }
           else
           {
               break;
           }
       }
   }
private:
   Container _con;
};