C++《stack与queue》-3.stack和queue的模拟实现

时间:2024-11-12 09:10:12

在了解了STL内的stack和queue的使用之后接下来我们来试着模拟实现stack和queue,但在此之前我们要了解什么是容器适配器,这时由于STL内的stack和queue都是容器适配器

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

例如电脑的充电器其实就是一种电源适配器

我们可以通过文档看到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:

 

 那么在此stack内使用到的deque是什么容器呢,接下来我们就来简单了解一下

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。

其实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:

 2.deque的缺陷

那么在了解了deque之后你可能就会有疑惑了,deque这个容器相比vector在中间和头部插入数据有优势,又相比list空间利用率较高,那么是不是用deque就可以替代vector和list了呢?

确实与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。

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:

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。

在此可以看出选择deque作为stack和queue的底层默认容器结合了deque的优点,而完美的避开了其缺陷。

了解deque接下来我们就来模拟实现stack和queue

stack:

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


namespace zhz
{
	template<class T,class container =deque<T>>
	class stack
	{
	public:

		size_t size()const
		{
			return _st.size();
		}
		bool empty()const
		{
			return _st.empty();
		}


		void push(const T& val)
		{
			_st.push_back(val);
		}

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


		T& top()
		{
			return _st.back();
		}

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


	private:
		container _st;

	};
}

queue:

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


namespace zhz
{
	template<class T, class container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		size_t size()const
		{
			return _qe.size();
		}

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

		void push(const T& val)
		{
			_qe.push_back(val);
		}
		void pop()
		{
			_qe.pop_front();
		}

		T& front()
		{
			return _qe.front();
		}
		T& back()
		{
			return _qe.back();
		}

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



	private:
		container _qe;

	};
}