【C++】stack和queue及其模拟实现

#include <stack>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	stack<int> s;
	cout << s.empty() << endl;
	s.push(1);
	cout << s.empty() << endl;
	s.push(2);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.top() << endl;
	s.pop();
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.top() << endl;
	return 0;
}

看到运行结果是符合预期的：

3.模拟实现stack

从stack的接口中可以看出，stack实际是一种特殊的vector，因此使用vector完全可以模拟实现stack。所以我们使用适配器模式来模拟实现stack：

我将模拟实现的stack放在了myStack.h文件中，并用命名空间HD将其封装：

#pragma once
namespace HD
{
	template <class T, class Container = vector<T>>
	class stack
	{
		Container _con;

		typedef T value_type;
		typedef size_t size_type;
	public:
		void push(const value_type& val);
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		value_type& top()
		{
			return _con.back();
		}
		const value_type& top()const
		{
			return _con.back();
		}
		size_type size()const
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
	};
	template<class T, class Container>
	typename void stack<T, Container>::push(const stack<T, Container>::value_type& val)
	{
		_con.push_back(val);
	}
}

模拟实现stack的精髓就在于第二个模板参数Container。仔细看就可以看到stack的实现就是vector套了一层壳，包括STL的stack也是这样弄的，只不过STL的stack默认不是使用vector来适配，而是选择了另一个容器deque来进行默认适配，所以说stack是容器适配器（配接器），而非容器。

至于deque是啥，有兴趣的读者老爷可以自行去学习，我就不仔细介绍了。

可以在test.cpp文件中测试一下模拟实现的stack：

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

#include "myStack.h"
int main()
{
	HD::stack<int> ms;
	cout << ms.empty() << endl;
	cout << ms.size() << endl;
	ms.push(1);
	cout << ms.top() << endl;
	ms.push(2);
	cout << ms.size() << endl;
	ms.push(3);
	ms.push(4);
	ms.push(5);
	ms.push(6);
	ms.pop();
	cout << ms.empty() << endl;
	cout << ms.size() << endl;
	cout << ms.top() << endl;
	return 0;
}

看一下运行结果，是符合预期的：

4.queue

我们看一下queue文档对queue的介绍：

见识过适配器模式的话，对于queue这个类模板应该很好理解，我就不解释了，我们直接来浅浅介绍一下常见接口：

1.queue()

接口说明：构造空的队列。

2.empty()

接口说明：检测队列是否为空，是返回true，否则返回false。

3.size()

接口说明：返回队列中有效元素的个数。

4.front()

接口说明：返回队头元素的引用。

5.back()

接口说明：返回队尾元素的引用。

6.push()

接口说明：在队尾将元素val入队列。

7.pop()

接口说明：将队头元素出队列。

其他接口可以去文档查阅，这里就不介绍了。

我们可以简单使用一下这些接口，当然记得包含头文件<queue>：

#include <queue>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	queue<int> q;
	cout << q.empty() << endl;
	q.push(1);
	cout << q.empty() << endl;
	q.push(2);
	cout << q.size() << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
	q.pop();
	cout << q.size() << endl;
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.back() << endl;
	return 0;
}

看到结果符合预期：

5.模拟实现queue

同样的，我们使用适配器模式来模拟实现queue，但是我们仔细思考便知，如果跟模拟实现的stack一样使用vector来默认适配的话就不合适，因为quque需要满足队尾入数据、队头出数据，如果还用vector来默认适配的话效率低下，所以我们模拟实现queue使用list来做默认适配。

我将模拟实现的queue放在了myQueue.h文件中，并用命名空间HD将其封装：

#pragma once
namespace HD
{
	template <class T, class Container = list<T>>
	class queue
	{
		Container _con;

		typedef T value_type;
		typedef size_t size_type;
	public:
		void push(const value_type& val);
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
		value_type& back()
		{
			return _con.back();
		}
		const value_type& back()const
		{
			return _con.back();
		}
		value_type& front()
		{
			return _con.front();
		}
		const value_type& front()const
		{
			return _con.front();
		}
		size_type size()const
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()const
		{
			return _con.empty();
		}
	};

	//模板不适合声明和定义分离到两个文件下，所以此次声明和定义分离到同一个文件下
	//其实这里本没有必要声明和定义分离，但是练练手
	template<class T, class Container>
	void queue<T, Container>::push(const queue<T, Container>::value_type& val)
	{
		_con.push_back(val);
	}
}

可以在test.cpp中测试一下模拟实现的queue：

#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;

#include "myQueue.h"

int main()
{
	HD::queue<int> mq;
	cout << mq.empty() << endl;

	mq.push(1);
	mq.push(2);
	mq.push(3);
	mq.push(4);
	cout << mq.front() << endl;
	cout << mq.back() << endl;

	cout << mq.size() << endl;
	mq.pop();
	cout << mq.front() << endl;
	cout << mq.back() << endl;
	cout << mq.size() << endl;
	cout << mq.empty() << endl;

	return 0;
}

结果是符合预期的：

6.deque

本博客不去介绍deque的底层，感兴趣的话可以自己去了解。我在这里主要介绍：

deque这个容器是vector和list的缝合怪，那么为什么要弄deque这么一个容器呢？就是因为vector和list的优缺点是可以互补的，那么吸收他们俩的优点搞出来了一个deque。

我们先来分析一下vector和list的优缺点：

1.vector：

优点：

尾插尾删效率不错，支持高效下标随机访问。并且得益于物理空间连续，所以高速缓存利用率高。

缺点：

空间要扩容，扩容有一些代价（效率和空间浪费）。并且头部和中间插入删除效率低。

2.list：

优点：

按需申请释放空间，没有扩容导致的效率和空间浪费。并且任意位置的插入删除效率都不错。

缺点：

不支持下标随机访问。

deque确实吸收了他们俩的优点，但是其底层设计也导致deque又有了一些缺陷，这些缺陷导致deque的应用场景不多：

1. 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。

2. 中间插入删除效率很低，要挪动数据，时间复杂度是O(N)。

当然deque吸收了他们俩的优点，且得益于其底层设计，所以：

deque和vector相比，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；而且尾插效率也高于vector；最后在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。

deque和list相比，deque底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。而且头插和尾插效率高于list。

那么STL的stack和queue为什么deque作为stack和queue的底层默认容器，理由如下：

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，这就避开了deque不适合遍历的缺点。

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。均发挥了deque的优点。

3. stack只需在栈顶操作，恰巧deque尾插效率高于vector，尾删效率也高；queue需要在队头和队尾操作，恰巧deque尾插效率高于list，头删效率也高。

7.小知识

7.1.stack和queue没有迭代器

stack和queue是没有迭代器的。我们可以想想如果有迭代器的话，还能保证stack的数据一定是先进后出吗？还能保证queue的数据一定是先进先出吗？

由于迭代器的功能，显然是不能保证的，所以也stack和queue也不应该设计迭代器。

7.2.可能出现的编译问题

为了介绍这个小知识，我创建了一个工程用于演示，该工程包含两个文件：test.h和test.cpp。

先来看一份代码：

在test.h中：

#pragma once
void func()
{
	cout << "hello world" << endl;
}

在test.cpp中：

#include <iostream>
using namespace std;
#include "test.h"
int main()
{
	func();
	return 0;
}

看一下运行结果：

看起来没什么问题，确实也没什么问题。可是也许有一个疑问：为什么在test.h中没有包含<iostream>，并且没有使用命名空间std，那么为啥test.h中的函数func可以正常使用cout和endl呢？

因为编译器在编译的时候是没有.h这样的概念的，编译器编译的第一个过程叫预处理，预处理后所有的.h文件就在.c文件或者.cpp文件中展开，那么说函数func在预处理阶段就在test.cpp中展开了，画图方便理解：

编译器只会去编译.cpp文件或者.c文件。预处理展开test.h文件后，在函数func中使用到了cout和endl时，编译器向上搜索可以搜索到<iostream>，并且也使用了命名空间std，所以函数func可以正常使用cout和endl。

再来看一份代码：

在test.h中：

#pragma once
void func()
{
	cout << "hello world" << endl;
}

在test.cpp中：

#include <iostream>
#include "test.h"
using namespace std;
int main()
{
	func();
	return 0;
}

看一下运行结果：

编译不通过，为什么？

我们先来看看预处理后，test.h的展开情况：

编译器只会去编译.cpp文件或者.c文件。预处理展开test.h文件后，在函数func中使用到了cout和endl时，编译器向上搜索可以搜索到<iostream>，但是还没有使用命名空间std，所以函数func不可以正常使用cout和endl，所以报错信息为： error C2065: “cout”: 未声明的标识符、error C2065: “endl”: 未声明的标识符。

感谢阅读，欢迎斧正！