C++之stack 和 queue

函数加接口说明	函数加接口说明
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

void test_stack() {
stack<int>s1;
s1.push(1);
s1.push(2);
s1.push(3);
s1.push(4);
s1.push(5);
cout << s1.size() << endl;
cout << s1.top() << endl;
s1.pop();
cout << s1.top() << endl;
}

1.3 stack 的模拟

stack我们是先进先出，并从栈的接口中可以看出，栈实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。

我们将vector设为私有成员

#include <vector>
namespace my_stack {
template <class T>
class stack {
public:
stack() {
}
void push(const T& x) {
c.push_back(x);
}
void pop() {
c.pop_back();
}
const T& top() {
return c.back();
}
size_t size()const {
return c.size();
}
bool empty()const {
return c.empty();
}
private:
std::vector<T> c;
};
}

这样子实现有个缺陷，如果我们需要实现一个链式栈就无法，可能会想到改成list，但是很麻烦。

我们可以导入一个容器类来进行实现。在后面的适配器我们会讲到。

2. queue的介绍和使用

2.1 queue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 queue的使用

void test_queue() {
queue<int>q1;
q1.push(1);
q1.push(2);
q1.push(3);
q1.push(4);
q1.push(5);
cout << q1.size() << endl;
cout << q1.front() << endl;
cout << q1.back() << endl;
q1.pop();
cout << q1.front() << endl;

}

2.3 queue的模拟

因为queue的接口中存在头删和尾插，因此使用vector来封装效率太低，故可以借助list来模拟实现queue。

#include <list>
namespace my_queue {
template <class T>
class queue {
public:
queue() {
}
void push(const T& x) {
c.push_back(x);
}
void pop() {
c.pop_back();
}

 T& back()  {
return  c.back();
}
 T& front() const 
return  c.front();
}

size_t size()const {
return c.size();
}
bool empty()const {
return c.empty();
}
private:
std::list<T> c;
};
}

通过官方的queue和stack我们可以看到，在类模版中都定义了一个class Container=deque<T>;

所以我们同样类似这样子写，在后续我们会讲解deque的知识。

namespace my_stack {
template <class T,class Container=vector<T>>
class stack {
public:
stack() {
}
void push(const T& x) {
con.push_back(x);
}
void pop() {
con.pop_back();
}
const T& top() {
return con.back();
}
size_t size()const {
return con.size();
}
bool empty()const {
return con.empty();
}
const T& front() const
{
return con.front();
}

const T& back() const
{
return con.back();
}

private:
Container con;
};
}

这样我们既可以写顺序栈也可以链式栈

my_stack::stack<int,vector<int>>s1;

my_stack::stack<int,list<int>>s1；

这里我们使用了vector来当默认参数，而在方法中却穿插了链表的方法，编译时却没有报错，这是因为这是类模版，在主函数类模板实例化时，按需实例化，使用哪些成员函数就实例化哪些，不会全实例化，所以当我们使用vector的时候，不调用list的方法就行了。

#include <list>
namespace my_queue {
template<class T, class Container = list<T>>
class queue
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}

void pop()
{
_con.pop_front();
}

const T& front() const
{
return _con.front();
}

const T& back() const
{
return _con.back();
}

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

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

private:
Container _con;
};
}

3.适配器

3.1 什么是适配器

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。

3.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

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，比如：

3.3 deque 的介绍（了解）

3.3.1 deque的原理

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：

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？如下图所示

3.3.2 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

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。

3.4 STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

3.4.1 stack 的模拟

#include<deque>
namespace my_stack
{
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;
};
}

3.4.2 queue 的模拟

#include<deque>
#include <list>
namespace my_queue
{
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;
};
}

测试代码参考

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <stack>
#include <queue>
using namespace std;
#include "stack.h"
#include "queue.h"
void print() {

}
void test_stack() {
stack<int>s1;
s1.push(1);
s1.push(2);
s1.push(3);
s1.push(4);
s1.push(5);
cout << s1.size() << endl;
cout << s1.top() << endl;
s1.pop();
cout << s1.top() << endl;
}
void test_queue() {
queue<int>q1;
q1.push(1);
q1.push(2);
q1.push(3);
q1.push(4);
q1.push(5);
cout << q1.size() << endl;
cout << q1.front() << endl;
cout << q1.back() << endl;
q1.pop();
cout << q1.front() << endl;

}
int main() {
//test_stack();
//test_queue();
/*
my_stack::stack<int,list<int>>s1;
s1.push(1);
s1.push(2);
s1.push(3);
s1.push(4);
s1.push(5);
cout << s1.size() << endl;
cout << s1.top() << endl;
s1.pop();
cout << s1.top() << endl;
cout << s1.back() << endl;
cout << s1.front() << endl;
*/

my_queue::queue<int> q1;
q1.push(1);
q1.push(2);
q1.push(3);
q1.push(520);
q1.push(1314);
cout << q1.back() << endl;
cout << q1.front() << endl;
q1.pop();
cout << q1.back() << endl;
cout << q1.front() << endl;

     my_stack::stack<int> q2;
q2.push(1);
q2.push(2);
q2.push(3);
q2.push(520);
q2.push(1314);
cout << q2.top() << endl;
cout << q2.top()<< endl;
q2.pop();
cout << q2.top() << endl;
const my_stack::stack<int>& crefMyStack = q2;
cout << "Top element (const) is: " << crefMyStack.top() << endl;

return 0;
}

结束语

本次博客内容就到此结束了。理所当然C++下的stack和queue的实现更加的简便和多种多样！

最后感谢各位友友们的捧场和支持，给小编留个赞吧！！！

原文地址：https://blog.csdn.net/2302_79376097/article/details/142400551

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