【C++STL ：stack && queue (二) 】stack 与 queue 的模拟实现与双端队列探秘 - 指南
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目录
7.2 设计出一个兼容他们优点的数据结构呢？deque（？）
7.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
C++的两个参考文档
老朋友（非官方文档）：cplusplus
官方文档（同步更新）：cppreference
stack容器文档链接：stack
queue容器文档链接：queue
3 ~> stack模拟实现
在C++ STL中，stack（栈）是一种重要的容器适配器，遵循后进先出(LIFO)原则。本文将深入探讨stack的两种实现方式：手动内存管理和容器适配器模式。
3.1 第一种实现：手动管理内存的栈
3.2 第二种实现：容器适配器模式的栈
3.2.1 向栈顶添加元素(压栈)
3.2.2 从栈顶移除元素(弹栈)
3.2.3 获取栈顶元素的引用
3.2.4 返回栈中元素的数量
3.2.5 检查栈是否为空，调用底层容器的empty方法
3.2.6 底层容器对象，实际存储数据
3.2.7 基于现有容器实现的栈数据结构
3.3 运行
3.3.1 代码演示
代码演示如下——
// stack
#include"stack.h"
int main()
{
//jqj::stack> st; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
//jqj::stack> st; // 使用list作为底层容器：链式数组
jqj::stack st; // 使用默认容器（deque）
// 栈操作
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
// 遍历并输出栈内容（后进先出）
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
cout << endl;
return 0;
} 3.3.2 运行结果
运行结果如下图所示——
4 ~> queue模拟实现
在C++标准模板库(STL)中，queue（队列）是一种重要的容器适配器，它遵循先进先出(FIFO)的原则。本文将深入解析queue的底层实现原理，并展示如何基于现有容器构建队列数据结构。
模板参数：template<class T, class Container = deque<T>>
关于底层容器，默认使用deque<T>，也可替换为list<T>，这个设计就是为了能够复用现有容器的功能，提供特定的队列接口，极大方便程序员写代码。
4.1 向队列尾部添加元素
4.2 从队列头部移除元素
4.3 获取队列头部元素的引用
4.4 获取队列尾部元素的引用
4.5 返回队列中元素的数量
4.6 检查队列是否为空
4.7 容器适配器——基于现有容器实现的队列数据结构
4.8 运行
4.8.1 代码演示
代码演示如下——
// queue
#include"queue.h"
int main()
{
// 使用不同底层容器实现的自定义队列
jqj::queue q; // 使用默认容器（deque）
//jqj::queue> q; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
//jqj::queue> q; // 使用list作为底层容器：链式数组
// 队列操作
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
// 遍历并输出队列内容（先进先出）
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " "; // 输出：1 2 3 4
q.pop();
}
cout << endl;
return 0;
} 4.8.2 运行结果
运行结果如下图所示——
5 ~> 容器适配器
5.1 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。
5.2 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：
后面我们会介绍双端队列（deque）这个容器适配器。
6 ~> vector 和 list 的优缺点
6.1 vector的优缺点
6.1.1 vector的优点
1、支持快速地下标随机访问；
2、尾插尾删效率很高；
3、CPU高速缓存访问（包含读 / 写）命中率低——数据访问效率低。
100万个数据的数组排序，两者的运行时间差不多；100万个数组排序（快速排序）和100万个链表排序（归并排序），两者运行时间有一定差异。
GPU是也是一种特殊的CPU。
6.1.2 vector的缺点
1、头部 / 中间位置插入删除效率很低；
2、插入存在扩容，扩容也有一定性能消耗（（1）消耗不大；（2）越扩越慢——越扩越大，这个“慢”不是指性能，而是频率）、扩容也存在一定空间浪费。
如果知道要多大空间，用reserve可以一定程度上缓解这个问题。
6.2 list 的优缺点
6.2.1 list 的优点
1、任意位置插入、删除效率都很高（O(1)）；
2、插入不存在扩容，按需申请释放内存。
注意：使用迭代器查找位置属于查找的消耗，任意位置插入、删除效率是很高的。
6.2.2 list 的缺点
1、不支持快速地下标随机访问。
6.3 基于CPU高速缓存访问命中率低的拓展
关于缓存，这里推荐我们的老前辈陈皓老师的一篇文章——与程序员相关的CPU缓存知识
前面大家可以看看，写得很好！后面偏向【计算机组成原理】相关的内容，大家尽力而为！
上图中下面的图见陈皓老师的与程序员相关的CPU缓存知识一文。
7 ~> 了解双端队列
7.1 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：
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？
7.2 设计出一个兼容他们优点的数据结构呢？deque（？）
7.3 deque的缺陷
能否用deque去替代vector 和 list的功能？不能。
——初衷是好的，但是deque是不那么成功的。
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。
运行一下——
7.4 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_backo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。
deque结合了两者的优点，而完美的避开了其缺陷。
7.5 面试题
vector优缺点，list优缺点，折中方案——deque。
能不能替代？不能，为什么？
——就是上面的内容啦！
本文完整代码演示
底层实现完整展示
stack.h：
#pragma once
#include
#include
#include
namespace jqj
{
//template
//class stack
//{
// // ...
//private:
// T* _a;
// size_t _top;
// size_t _capacity;
//};
// deque：双端队列
template>
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() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}
queue.h：
#include
#include
#include
namespace jqj
{
// 容器适配器
// deque：双端队列
template>
class queue
{
public:
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
}
void pop()
{
_con.pop_front(); // 队头，先进先出后进后出
}
const T& front()
{
return _con.front();
}
const T& back()
{
return _con.back();
}
size_t size() const
{
return _con.size();
}
bool empty() const
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
}
Test.cpp：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
// stack 和 queue的使用：构造、增删
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
// 栈(stack)的使用演示
stack st;
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.emplace(4); // emplace是C++11的高效插入
// 遍历并清空栈 (LIFO: 后进先出)
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " "; // 输出栈顶元素：4 3 2 1
st.pop(); // 弹出栈顶元素
}
cout << endl;
// 队列(queue)的使用演示
queue q;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.emplace(4); // emplace是C++11的高效插入
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " "; // 输出队头元素
q.pop(); // 出队
}
return 0;
}
// stack
#include"stack.h"
int main()
{
//jqj::stack> st; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
//jqj::stack> st; // 使用list作为底层容器：链式数组
jqj::stack st; // 使用默认容器（deque）
// 栈操作
st.push(1);
st.push(2);
st.push(3);
st.push(4);
// 遍历并输出栈内容（后进先出）
while (!st.empty())
{
cout << st.top() << " ";
st.pop();
}
cout << endl;
return 0;
}
// queue
#include"queue.h"
int main()
{
// 使用不同底层容器实现的自定义队列
jqj::queue q; // 使用默认容器（deque）
//jqj::queue> q; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
//jqj::queue> q; // 使用list作为底层容器：链式数组
// 队列操作
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
// 遍历并输出队列内容（先进先出）
while (!q.empty())
{
cout << q.front() << " "; // 输出：1 2 3 4
q.pop();
}
cout << endl;
return 0;
} Deque与vector && list效率对比代码演示
Test.cpp：
void Test_op1()
{
srand(time(0));
const int N = 10000000;
deque dq;
vector v;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
auto e = rand() + i;
v.push_back(e);
dq.push_back(e);
}
int begin1 = clock();
sort(v.begin(), v.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
sort(dq.begin(), dq.end());
int end2 = clock();
printf("vector:%d\n", end1 - begin1);
printf("deque:%d\n", end2 - begin2);
}
void Test_op2()
{
srand(time(0));
const int N = 10000000;
deque dq1;
deque dq2;
for (int i = 0; i < N; ++i)
{
auto e = rand() + i;
dq1.push_back(e);
dq2.push_back(e);
}
int begin1 = clock();
sort(dq1.begin(), dq1.end());
int end1 = clock();
int begin2 = clock();
// 拷贝到vector
vector v(dq2.begin(), dq2.end());
sort(v.begin(), v.end());
dq2.assign(v.begin(), v.end());
int end2 = clock();
printf("vector:%d\n", end1 - begin1);
printf("deque copy vector sort,sort back deque:%d\n", end2 - begin2);
}
int main()
{
Test_op2();
return 0;
} 效率对比（release版本运行）
结尾
往期回顾：
【C++STL ：stack && queue (一) 】stack与queue全解析｜深入使用，附高频算法题详解
结语：都看到这里啦！那请大佬不要忘记给博主来个“一键四连”哦！
博主在这里放了一只小狗，大家看完了摸摸小狗放松一下吧！
૮₍ ˶ ˊ ᴥ ˋ˶₎ა
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