STL —— stack、queue

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1. 容器适配器

2. 栈的模拟实现

3. 队列的模拟实现

4. 双端队列deque

4.1 deque的原理介绍

4.2 deque的缺陷

4.3 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

本篇文章主要讲解 stack 和 queue 的相关内容

std::stack 是一个模板类，定义在 <stack> 头文件中，它基于其他的底层容器来实现栈的功能。默认情况下，std::stack 使用 std::deque 作为其底层容器，但也可以使用其他 STL 容器，如 std::vector 或 std::list。

基本操作

压入元素： 使用 push() 成员函数将元素推入栈顶。

弹出元素： 使用 pop() 成员函数从栈顶移除元素。

访问栈顶元素： 使用 top() 成员函数获取栈顶元素的引用，但不会将其从栈中移除。

判断栈是否为空： 使用 empty() 成员函数检查栈是否为空。

获取栈的大小： 使用 size() 成员函数获取栈中元素的数量。

std::queue 是一个模板类，定义在 <queue> 头文件中，它基于其他的底层容器来实现队列的功能。默认情况下，std::queue使用 std::queue 作为其底层容器，但也可以使用其他 STL 容器，如 std::list。

基本操作

入队操作： 使用 push() 成员函数将元素推入队列的末尾。

出队操作： 使用 pop() 成员函数从队列的头部移除元素。

访问队列头部元素： 使用 front() 成员函数获取队列头部元素的引用，但不会将其从队列中移除。

访问队列尾部元素： 使用 back() 成员函数获取队列尾部元素的引用，但不会将其从队列中移除。

判断队列是否为空： 使用 empty() 成员函数检查队列是否为空。

获取队列的大小： 使用 size() 成员函数获取队列中元素的数量。

1. 容器适配器

如果按照正常的思路实现stack，那么其中的元素应该有：
class stack
{

private:
	int _top;
	int _size;
	int _capacity;
};
但是，在C++中，用了适配器的模式，何为适配器呢？

我们知道stack模拟实现的过程与vector类似，那我们能否用vector来实现stack呢？

肯定是可以的，容器适配器是一种设计模式，它提供了一种简单的方式来修改或扩展现有容器的接口，以满足特定的需求或限制。

2. 栈的模拟实现

我们在实现栈的时候就可以用到容器适配器的模式，只需要在传模板参数的时候多加一个参数即可：

template<class T, class Container = vector<T>>
class stack
{
public:
	void push(const T& val)
	{
		_con.push_back(val);
	}
	void pop()
	{
		_con.pop_back();
	}
	size_t size() const
	{
		return _con.size();
	}
	bool empty()
	{
		return _con.empty();
	}
	T& top()
	{
		return _con.back();
	}
private:
	Container _con;
};
void stack_test1()
{
	stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	st.push(5);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;
}

3. 队列的模拟实现

类似的，我们可以用容器适配器来模拟实现队列：

template<class T, class Container = vector<T>>
class stack
{
public:
	void push(const T& val)
	{
		_con.push_back(val);
	}
	void pop()
	{
		_con.pop_back();
	}
	size_t size() const
	{
		return _con.size();
	}
	bool empty()
	{
		return _con.empty();
	}
	T& top()
	{
		return _con.back();
	}
private:
	Container _con;
};
void stack_test1()
{
	stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);
	st.push(5);
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;
}

4. 双端队列deque

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：

双端队列底层是一段假想的连续空间，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？

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 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.。