【C++】容器适配器 — stack和queue

一只睡不醒的猫

已于 2023-05-07 23:47:37 修改

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文章标签： c++ 适配器模式

于 2023-05-07 23:47:17 首次发布

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4.2 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

1. 设计模式

设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结；
Java语言非常关注设计模式，而C++并不关注；
设计模式分为三种类型，共23种，这里我们只需要了解迭代器模式和适配器模式；

1.1 迭代器模式

迭代器模式（Iterator），提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各种元素，而又不暴露该对象的内部表示。
它支持以不同的方式遍历一个聚合迭代器，简化了聚合的接口在同一个聚合上可以有多个遍历。

我们前面学习的string、vector和list的迭代器就是一种迭代器模式。

1.2 适配器模式

在计算机编程中，适配器模式（有时候也称包装样式或者包装）将一个类的接口适配成用户所期待的。一个适配允许通常因为接口不兼容而不能在一起工作的类工作在一起，做法是将类自己的接口包裹在一个已存在的类中。

2. stack的介绍和使用

2.1 stack的介绍

stack文档介绍

stack是一种容器适配器，专门用在具有后进先出操作的上下文环境中，其删除只能从容器的一端进行元素的插入与提取操作。
stack是作为容器适配器被实现的，容器适配器即是对特定类封装作为其底层的容器，并提供一组特定的成员函数来访问其元素，将特定类作为其底层的，元素特定容器的尾部(即栈顶)被压入和弹出。
标准容器vector、deque、list均符合这些需求，默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，默认情况下使用deque。
stack的底层容器可以是任何标准的容器类模板或者一些其他特定的容器类，这些容器类应该支持以下操作：

empty：判空操作
back：获取尾部元素操作
push_back：尾部插入元素操作
pop_back：尾部删除元素操作

2.2 stack的使用

函数说明	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
emplace()	将字符或字符串压入stack中

2.3 stack模拟实现

在了解适配器模式后，我们就可以将适配器作为类的第二个模板参数，通过传递不同的适配器容器来实现栈了。

//stack<int, vector<int>> st1;
//stack<int, list<int>> st2;

template<class T, class Container = vector<T>>
//template<class T, class Container = list<T>>

如上：vector和list都可以作为适配器容器来使用，我们通过可以给定不同的第二个模板参数来实现不同的容器适配 stack；

但由于 vector 的随机访问和CPU缓存命中比 list 高，所以我们一般将 vector 作为默认适配容器，这样我们以后定义对象时就不显示指定 vector 了；

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>

namespace my_stack {
	template<class T, class Container = std::vector<T>>
	class stack {
	public:
		//构造和析构不用写，默认生成的构造和析构对于自定义类型会调用它们的构造和析构函数

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

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

		T& top() 
        {
			return _con.back();  //数组尾部作为栈的栈顶
		}

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

		void push(const T& val)
        {
			_con.push_back(val);  //在数组尾部插入数据
		}

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

	private:
		Container _con;
	};
}

有了适配容器之后，我们就可以直接调用适配容器的接口来实现 stack的接口，使得 stack的模拟实现变得十分简单。

3. queue的介绍和使用

3.1 queue的介绍

queue文档介绍

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。
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。
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。
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。

3.2 queue的使用

函数声明	接口说明
queue()	构造空的队列
empty()	检测队列是否为空，是返回true，否则返回false
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()	在队尾将元素val入队列
pop()	将队头元素出队列
emplace()	在队尾将字符或字符串入队列

3.3 queue的模拟实现

和stack一样，vector 和 list 都可以作为queue的适配容器，但由于queue需要大量的头插和头删数据，所以 list 更适合queue的默认适配容器。

queue.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>

namespace my_queue {
	template<class T, class Container = std::list<T>>
	class queue {
	public:
		//构造和析构不用写，默认生成的构造和析构对于自定义类型会调用它们的构造和析构函数

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

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

		T& front() 
        {
			return _con.front();  //第一个节点为队头
		}

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

		T& back()
        {
			return _con.back();  //最后一个节点为队尾
		}

		const T& back() const 
        {
			return _con.back();  //最后一个节点为队尾
		}

		void push(const T& val)
        {
			_con.push_back(val);  //在链表尾部插入节点
		}

		void pop() 
        {
			_con.pop_front();  //删除第一个节点
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

注意：当我们用 vector 作为 queue的适配容器时，编译器会报错，因为在 pop() 函数中，vector没有 pop_front（）的接口，vector的头插和头删主要是通过insert和erase来完成，所以，在使用中，一般不会把 vector 作为 queue的适配容器。

4. deque 的介绍

deque文档介绍

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？

4.1 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。

4.2 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。