C++的 stack和queue 的应用和实现【双端队列的理解和应用】

stack的理解和应用

栈是一种后进先出（Last In, First Out, LIFO）的数据结构，类似于向弹夹里面装子弹和卸子弹。在C++中，栈通常用于实现递归算法、表达式求值、括号匹配等场景。

栈的理解

在C++中，std::stack 是一个容器适配器，它提供了栈的功能。它基于其他容器（如 std::vector、std::deque 等）实现，但只暴露了栈的接口。栈的基本操作包括：

• push()：向栈顶添加一个元素。
• pop()：移除栈顶的元素。
• top()：访问栈顶元素，但不移除它。
• empty()：检查栈是否为空。
• size()：返回栈中元素的数量。

下面通过一段代码来进行理解

void usestack()
{
	stack<int> st;//栈的创建

	st.push(1);//入栈
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	st.push(5);

	cout << st.size() << endl;//返回栈中的元素的数量

	while (!st.empty())//判断栈是否为空
	{
		cout << st.top() << " ";//输出栈顶元素
		st.pop();//出栈
	}
	cout << endl;
}

栈的模拟实现

栈的实现通常使用一个动态数组或者链表来存储数据，但栈的接口只允许从栈顶进行操作。
所以通常我们进行实现stack直接用vector或者string来实现就非常的方便

string实现stack

#include <iostream>
#include <string>
#include <stdexcept>

class StringStack {
private:
    std::string data;

public:
    void push(const std::string& item) {
        data += item + " ";
    }

    void pop() {
        if (empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
        }
        size_t lastSpace = data.rfind(' ');
        if (lastSpace != std::string::npos) {
            data.erase(lastSpace);
        } else {
            data.clear();
        }
    }

    std::string top() const {
        if (empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");
        }
        size_t lastSpace = data.rfind(' ');
        return data.substr(lastSpace + 1);
    }

    bool empty() const {
        return data.empty();
    }

    size_t size() const {
        return data.size();
    }
};

vector实现stack

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>

template <typename T>
class VectorStack {
private:
    std::vector<T> data;

public:
    void push(const T& item) {
        data.push_back(item);
    }

    void pop() {
        if (empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack<>::pop(): empty stack");
        }
        data.pop_back();
    }

    T top() const {
        if (empty()) {
            throw std::out_of_range("Stack<>::top(): empty stack");
        }
        return data.back();
    }

    bool empty() const {
        return data.empty();
    }

    size_t size() const {
        return data.size();
    }
};

这样就可以很好的模拟实现stack了

queue的理解和应用

队列是一种先进先出（First In, First Out, FIFO）的数据结构，它类似于排队等候服务的队伍：新来的人排在队伍的末尾，而服务总是从队伍的最前面开始。在C++中，队列通常用于任务调度、消息队列、打印任务管理等场景。

队列的理解

在C++中，std::queue 是一个容器适配器，它提供了队列的功能。它基于其他容器（如 std::deque、std::list 等）实现，但只暴露了队列的接口。队列的基本操作包括：

• enqueue()：向队列尾部添加一个元素。
• dequeue()：移除队列头部的元素。
• front()：访问队列头部元素，但不移除它。
• empty()：检查队列是否为空。
• size()：返回队列中元素的数量。

下面通过一段代码来进行理解

void usequeue()
{
	queue<int> qu;

	qu.push(1);
	qu.push(2);
	qu.push(3);
	qu.push(4);
	qu.push(5);

	cout << qu.size() << endl;
	cout << qu.back() << endl;//输出队列最后一个元素

	while (!qu.empty())//判断队列是否为空
	{
		cout << qu.front() << " ";//输出队列头元素
		qu.pop();//出队列
	}
	cout << endl;
}

队列的模拟实现

队列的实现通常使用一个动态数组或者链表来存储数据，但队列的接口只允许从队列尾部进行添加操作，从队列头部进行移除操作。
因为string在头插和头删上实际拿上大大的增加，所以一般实现queue就用strack进行

#include <iostream>
#include <list>
#include <stdexcept>

template <typename T>
class ListQueue {
private:
    std::list<T> data;

public:
     void enqueue(const T& item) {
         data.push_back(item);
     }

     void dequeue() {
         if (data.empty()) {
             throw std::out_of_range("Queue<>::dequeue(): empty queue");
         }
         data.pop_front();
     }

     T front() const {
         if (data.empty()) {
             throw std::out_of_range("Queue<>::front(): empty queue");
         }
         return data.front();
     }

     bool empty() const {
         return data.empty();
     }

     size_t size() const {
         return data.size();
     }
};

双端队列

在实现栈和队列的时候list和sting或多或少都会有一些问题或者小毛病那有没有一个老大哥呢？这时候就引出了一个新的容器适配器
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。

原理的简单理解

那么这个老大哥是怎么进行实现的呢？

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？
通过一个中控器（图中map）来进行多个buffer的连接进而实现”连续空间“然后通过两个迭代器start和finish进行查找和遍历每个迭代器都有四个节点cur，first,last分别是在buffer指向任意位置，头尾的。而node是指向中控器进而连接下一个buffer而finsh指向随后一个buffer的最后一个元素二点下一个位置进行结尾的定位

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。

所以这么看这个老大哥也不是万能的

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。

STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

stack的模拟实现

#include<deque>
namespace bite
{
 template<class T, class Con = deque<T>>
 //template<class T, class Con = vector<T>>
 //template<class T, class Con = list<T>>
 class stack
 {
 public:
 stack() {}
 void push(const T& x) 
 {
 _c.push_back(x);
 }
 
 void pop() 
 {
 _c.pop_back();
 }
 
 T& top() 
 {
 return _c.back();
 }
 
 const T& top()const 
 {
 return _c.back();
 }
 
 size_t size()const 
 {
 return _c.size();
 }
 
 bool empty()const 
 {
 return _c.empty();
 }
 
 private:
 Con _c;
 };
}

queue的模拟实现

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

感觉好的话点个赞