C++中stack和queue的模拟实现及deque的介绍

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@小白创作中心

C++中stack和queue的模拟实现及deque的介绍

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/2303_79329831/article/details/140262271

前言

本篇博客的主要内容：STL库中stack和queue的模拟实现以及deque的介绍。
这部分是名副其实的奖励内容了，
stack
和
queue
作为容器适配器，是基于一些容器实现（如：vector，list以及deque）。内部结构实现起来很容易，但是需要多多关注模板的一些使用。
deque
作为容器，也被我们叫做双端队列，常用作栈和队列的底层适配容器。

stack的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
namespace ForcibleBugMaker
{
    // 模板也可以给缺省类型
    template<class T,class Container = std::vector<T>>
    class stack
    {
    public:
        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }
        void pop()
        {
            _con.pop_back();
        }
        const T& top()
        {
            return _con.back();
        }
        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }
    private:
        Container _con;
    };
}

这样使用模板，让我们可以通过传入不同的类型和容器从而生成不同的
stack
。
如下：

stack<int> st1;
stack<double, vector<double>> st2;
stack<int, list<int>> st3;

在本段代码中，
st1
和
st2
的结构相同，但存储的数据类型不相同；
st1
和
st3
存储的数据相同，但是底层的结构却天差地别了（一个是顺序结构，一个是链式结构）。

queue的模拟实现

#pragma once
#include<deque>
namespace ForcibleBugMaker
{
    template<class T,class Container = std::deque<T>>
    class queue
    {
    public:
        void push(const T& x)
        {
            _con.push_back(x);
        }
        void pop()
        {
            _con.pop_front();
        }
        size_t size()
        {
            return _con.size();
        }
        bool empty()
        {
            return _con.empty();
        }
        const T& front()
        {
            return _con.front();
        }
        const T& back()
        {
            return _con.back();
        }
    private:
        Container _con;
    };
}

queue在这里也是同样的道理，不过由于vector不支持头删（
pop_front
），所以在提供
Container
类型时不要使用
vector
容器。

deque（双端队列）

**
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。
上图的双端队列是我们假象出来的逻辑结构，实际上在底层的存储中，是分段连续的，物理结构如图：
为维护其“整体连续”以及随机访问的假象，
deque
的迭代器设计就比较复杂，如图：
一个迭代器类型就包含四个成员变量。
成员变量作用
cur 指向当前数据位置
first 指向一个buffer的开始元素
last 指向一个buffer的结束元素的下一位
node 反向指向中控数组

deque
借助迭代器维护其假象连续结构图：

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，因此其效率是比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有两个致命缺陷：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，同时，在对deque容器中间元素进行插入和删除操作时，消耗较大，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。

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：

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。
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。