【C++】_stack和_queue容器适配器、

当别人都在关注你飞的有多高的时候，只有父母在关心你飞的累不累。💓💓💓

✨说在前面

🍋知识点一：stack

•🌰1.stack介绍

•🌰2.stack的基本操作

🍋知识点二：queue

•🌰2.queue介绍

•🌰2.queue的基本操作

🍋知识点三：priority_queue

•🌰1.priority_queue介绍

•🌰2.priority_queue的基本使用

•🌰3.仿函数

🔥仿函数控制序列单调性

🔥仿函数在优先级队列中的应用

🍋知识点四：容器适配器

•🌰1.什么是适配器

•🌰2.stack和queue的底层结构

•🌰3.deque介绍

🔥deque的实现原理

🔥deque的缺陷

🔥选择deque的原因

• ✨SumUp结语

✨说在前面

亲爱的读者们大家好！💖💖💖，我们又见面了，上一篇文章我给大家介绍了一下list的定义、常用接口以及模拟实现。如果大家没有掌握好相关的知识，上一篇篇文章讲解地很详细，可以再回去看看，复习一下，再进入今天的内容。

我们今天简单给大家讲解一下STL中的两大适配器——stack和queue。stack和queue分别对应C语言中的栈和队列，如果大家准备好了，那就接着往下看吧~

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🍋知识点一：stack

•🌰1.stack介绍

stack是一个容器适配器，它提供了一种后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构。stack只允许在容器的顶部进行元素的添加（push）和移除（pop）操作，以及访问顶部元素（top）的功能，但不提供遍历容器内部元素的功能。

我们来查看一下文档中对stack的介绍：

注意：stack不属于容器，而是一种容器适配器。它看起来像是容器，但实际上它们是通过封装其他容器来工作的。

•🌰2.stack的基本操作

stack的使用接口如下：

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

它的接口非常简单，实现部分可以参考C语言的写法：C语言实现栈和队列

如果大家觉得不好理解，可以看我之前写的栈和队列的博客：【数据结构】栈和队列超详细讲解

接口文档如下：

stack::stack - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::empty - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::size - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::top - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::push - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::emplace - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::pop - C++ Reference (cplusplus.com)

stack::swap - C++ Reference (cplusplus.com)

🍋知识点二：queue

•🌰2.queue介绍

queue是一种先进先出（FIFO, First In First Out）的数据结构。它允许在队尾添加元素（enqueue/push），在队首移除元素（dequeue/pop），以及查看队首元素（front）的值。与stack类似，queue也不提供遍历功能。

我们来查看一下文档中对queue的介绍：

注意：queue不属于容器，而是一种容器适配器。它看起来像是容器，但实际上它们是通过封装其他容器来工作的。

•🌰2.queue的基本操作

stack的使用接口如下：

函数说明	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

它的接口非常简单，实现部分可以参考C语言的写法：C语言实现栈和队列

如果大家觉得不好理解，可以看我之前写的栈和队列的博客：【数据结构】栈和队列超详细讲解

接口文档如下：

queue::queue - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::empty - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::size - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::front - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::back - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::push - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::emplace - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::pop - C++ Reference (cplusplus.com)

queue::swap - C++ Reference (cplusplus.com)

🍋知识点三：priority_queue

•🌰1.priority_queue介绍

学习完了队列，我们再来了解一下优先级队列：

C++中的优先级队列（Priority Queue）是一种特殊的队列，它的元素被赋予优先级，元素的出队顺序基于它们的优先级，而不是它们被加入队列的顺序。默认情况下，priority_queue使用最大堆（Max Heap）来实现，所以队列中最大的元素总是位于队列的顶部，因此这个元素会首先被移除（即出队）。

•🌰2.priority_queue的基本使用

优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。注意：默认情况下priority_queue是大堆。

相同地，priority_queue也有如下接口：

函数声明	接口说明
priority_queue()/priority_queue(first, last)	构造一个空的优先级队列
empty( )	检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false
top( )	返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素
push(x)	在优先级队列中插入元素x
pop()	删除优先级队列中最大 ( 最小 ) 元素，即堆顶元素

接口文档如下：

priority_queue::priority_queue - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::empty - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::size - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::top - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::push - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::emplace - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::pop - C++ Reference (cplusplus.com)

priority_queue::swap - C++ Reference (cplusplus.com)

•🌰3.仿函数

仿函数（Functors）是那些重载了()操作符的对象，它们的行为类似于函数。通过使用仿函数，你可以将函数的行为封装在对象内部，这样做的好处包括能够传递额外的状态信息、支持泛型编程（例如，与标准库算法一起使用时），以及更好的封装性。

🔥仿函数控制序列单调性

下面是一个仿函数示例，用于控制冒泡排序将原先序列按递增还是递减顺序排列：

//递增
template<class T>
class Less
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}
};
//递减
template<class T>
class Greater
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}
};
//冒泡排序
template<class Compare>
void BubbleSort(int* arr, int length, Compare com)
{assert(arr);int flag = 1;while (flag && length--){flag = 0;for (int i = 0; i < length; i++){//if (arr[i] > arr[i + 1])if (com(arr[i], arr[i + 1])){swap(arr[i], arr[i + 1]);flag = 1;}}}
}
//打印数组元素
void printArr(int* arr, int length)
{for (size_t i = 0; i < length; i++){cout << arr[i] << " ";}cout << endl;
}int main()
{Less<int> LessFunc;Greater<int> GreaterFunc;int arr[] = { 5,23,789,12,8,1,86,12,7 };//升序BubbleSort(arr, 9, GreaterFunc);printArr(arr, 9);//降序BubbleSort(arr, 9, LessFunc);printArr(arr, 9);return 0;

在这个例子中，Less类和Greater类是仿函数，它重载了()操作符以比较两个整数。我们创建了Less或Greater的实例并将其作为第三个参数传递给BubbleSort函数，以指定排序的准则。

结果如下：

1 5 7 8 12 12 23 86 789
789 86 23 12 12 8 7 5 1

🔥仿函数在优先级队列中的应用

利用仿函数，我们可以控制优先级队列的底层是大堆还是小堆，进而控制优先级队列的优先级。我们默认优先级队列的底层是大堆。

它的实现用到了仿函数，可以参考我这里的实现：优先级队列模拟实现

优先级队列举例：

#include <iostream>
using namespace std;
#include <queue>int main()
{priority_queue<int> pq;pq.push(3);pq.push(7);pq.push(1);pq.push(9);pq.push(10);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}return 0;
}

结果如下：

10 9 7 3 1

🍋知识点四：容器适配器

•🌰1.什么是适配器

适配器是一种设计模式（设计模式是一套倍反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结），该种模式是一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。

•🌰2.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：

我们来看看stack的模拟实现：

namespace stl_stack
{//Container适配转换出stacktemplate<class T, class Container>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(){return _con.empty();}private:Container _con;};
}

再来看看stack的模拟实现：

很显然我们发现，这里容器的缺省值给的是deque<T>，这是个什么东西呢？继续往下看。

•🌰3.deque介绍

🔥deque的实现原理

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，其底层结果如下图所示：

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：

🔥deque的缺陷

与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，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是比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。

我们可以用下面的代码来测试vector和deque的[]利率：

//deque与vector[]的效率对比
void test_op1()
{srand(time(0));const int N = 1000000;deque<int> dq;vector<int> v;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;dq.push_back(e);v.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(dq.begin(), dq.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();sort(v.begin(), v.end());int end2 = clock();printf("deque:%d\n", end1 - begin1);printf("vector:%d\n", end2 - begin2);
}void test_op2()
{srand(time(0));const int N = 1000000;deque<int> dq1;deque<int> 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vectorvector<int> v(dq2.begin(), dq2.end());sort(v.begin(), v.end());dq2.assign(v.begin(), v.end());int end2 = clock();printf("deque sort:%d\n", end1 - begin1);printf("deque copy vector sort, copy back deque:%d\n", end2 - begin2);
}int main()
{test_op1();test_op2();return 0;
}

realse且x86结果如下：

deque:117
vector:66
deque sort:104
deque copy vector sort, copy back deque:59

基本上相差两倍左右。

🔥选择deque的原因

那么问题来了，为什么选择deque作为stack和queue的底层容器？

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。

结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。