C++学习第十三天——stack/queue的使用及底层剖析双端队列容器适配器

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🚀前言

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前面我们已经学习了list容器的相关知识,本文主要介绍STL中另外两种重要的结构,stack和queue。但是在STL中这两者并没有划分在容器范围内,而是将其称为容器适配器。

💥一、容器适配器

1、什么是容器适配器?

       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

2、STL标准库中stack和queue的底层适配?

        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,比如:

💥二、双端队列deque的介绍

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在功能上是vector和list的结合体,如图:

在这里插入图片描述

     deque并不是真正连续的空间,而是由一小段一小段连续的buff小数组和中控数组(指针数组)构成,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:

       小数组满了之后不扩容,而是再开辟一小段空间做buff,并且开辟buff数组时并不是从中控数组的开头开始申请的,而是在中间,头插尾插时才向两边申请。

比如:

   

        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:

2、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,导致效率低下并且deque的中间位置的insert 和erase 也要挪动数据,效率并不高。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、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。

💥三、对于stack和queue的使用和模拟实现

1、stack和queue的使用

首先,使用stack和queue需要包含头文件< satck > 和 < queue >。

stack和queue的主要接口十分简单:

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/direct/1f3e5eea1a554861b95acb0fa07fef28.png

在这里插入图片描述

代码如下:

#include<stack>
#include<queue>int main()
{	//stack的使用stack<int> st;st.push(1);st.push(2);st.push(3);st.push(4);while (!st.empty()){cout << st.top() << " ";st.pop();}cout << endl;//queue的使用queue<int> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);q.push(4);while (!q.empty()){cout << q.front() << " ";q.pop();}cout << endl;return 0;
}

2、stack的模拟实现

//template <class T,class Con = list<T>>
//template <class T,class Con = vector<T>>
template <class T,class Con = 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:Con _con;
};

3、queue的模拟实现

//template<class T, class Con = list<T>>
template<class T, class Con = deque<T>>
class queue
{
public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_front();}T& back(){return _con.back();}const T& back()const{return _con.back();}T& front(){return _con.front();}const T& front()const{return _con.front();}bool empty()const{return _con.empty();}size_t size()const{return _con.size();}private:Con _con;
};

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