C++之STL-栈和队列+容器适配器+deque的基本讲解

目录

一、栈的介绍和使用

1.1 栈的介绍

2.2 栈的基本接口

二、队列的介绍和使用

2.1 队列的介绍

2.2 队列的基本接口

 三、容器适配器

3.1 容器适配器的概念

四、deque的介绍

4.1 deque的原理介绍

4.2 deque的缺陷

4.3 选择deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

4.4 deque的基本接口

五、queue和stack的模拟实现

stack实现代码

queue实现代码

一、栈的介绍和使用

1.1 栈的介绍

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，其删除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。

栈的讲解在c语言部分已经给大家介绍过了，这里就不过多赘述了，详细请参考http://t.csdnimg.cn/d4T83

2.2 栈的基本接口

二、队列的介绍和使用

2.1 队列的介绍

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 队列的基本接口

 队列的讲解在c语言部分已经给大家介绍过了，这里同样就不过多赘述了，详细请参考http://t.csdnimg.cn/d4T83

 三、容器适配器

3.1 容器适配器的概念

在上文和标题中，我们不只一次提到了容器适配器，那么容器适配器到底是什么呢？

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。

用一张图让大家更好的理解一下。
       容器适配器是一种特殊的容器，它们提供了一种特定接口来访问底层容器的元素，从而改变了底层容器的行为，其提供了简单的接口和功能，可以方便地实现一些特定的数据结构，但它们并不是通用的容器，只能提供特定的操作方式。
       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和队列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。
       

不难发现，stack和queue都有一个叫 Container（容器）的接口，一般根据需求传入适当的容器如（vector，list，deque）。默认传入deque容器。

四、deque的介绍

4.1 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：

这里的map在deque中称作中控数组，帮助存储和访问数据。       

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：

这个迭代器讲起来比较复杂，且这个容器我们不经常使用，感兴趣的可以自行的进行学习。

4.2 deque的缺陷

       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。

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。

4.3 选择deque作为stack和queue的底层默认容器的原因

       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。 

4.4 deque的基本接口

五、queue和stack的模拟实现

因为有容器的传入所以实现起来非常的轻松，我们可以直接复用容器的接口就可以了。

stack实现代码

template<class T, class Con = deque<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实现代码

 template<class T, class Con = deque<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;

    };