C++从入门到起飞之——stack&queue&deque 全方位剖析！

🌈个人主页：秋风起，再归来~****
🔥系列专栏：C++从入门到起飞****
🔖克心守己，律己则安

>前言****：栈和队列的使用非常简单，并且我们在数据结构部分已经运用的非常熟练了，下面我们就来直接剖析它们的底层结构！

1、容器适配器

1.1 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。

1.2 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：

2、deque的简单介绍(了解)

2.1、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？

2.2、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，因此其效率是比vector高的。

>与list比较，其底层是连续空间，高级缓存利用率高！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。

我们下面做两个简单的测试就可以很清晰的感受到这个缺陷了！

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;
        v.push_back(e);
        dq.push_back(e);
    }

    int begin1 = clock();
    sort(v.begin(), v.end());
    int end1 = clock();

    int begin2 = clock();
    sort(dq.begin(), dq.end());
    int end2 = clock();

    printf("vector:%d\n", end1 - begin1);
    printf("deque:%d\n", end2 - begin2);
}

无论是在测试还是发行版本下，在相同数据下使用相同的排序算法，我们可以看见vector的效率是明显高于deque的！

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vector
    vector<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);
}

这个测试的结果一方面说明了deque的遍历效率是很低的，另一方面也说明了拷贝的代价是很低的！

>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。 结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。

3、STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

stack和queue的模拟实现就非常简单了，这里直接给源码给大家参考一下！

//适配器container
template<class T,class container=deque<T>>
class stack
{
public:
    //元素数量
    size_t size() const
    {
        return con.size();
    }
    //判空
    bool empty()
    {
        return con.empty();
    }
    //入栈
    void push(const T& val)
    {
        con.push_back(val);
    }
    //出栈
    void pop()
    {
        con.pop_back();
    }
    //取栈顶元素
    T& top()
    {
        return con.back();
    }
    const T& top() const
    {
        return con.back();
    }

private:
    container con;
};

template<class T, class Con = deque<T>>
//template<class T, class Con = list<T>>
class queue
{
public:
    void push(const T& x) 
    { 
        _c.push_back(x); 
    }
    void pop() 
    { 
        _c.pop_front(); 
    }
    T& back() 
    { 
        return _c.back(); 
    }
    const T& back()const 
    { 
        return _c.back(); 
    }
    T& front() 
    { 
        return _c.front(); 
    }
    const T& front()const 
    { 
        return _c.front(); 
    }
    size_t size()const 
    { 
        return _c.size(); 
    }
    bool empty()const 
    { 
        return _c.empty(); 
    }
private:
    Con _c;
};

4、完结散花

好了，这期的分享到这里就结束了~**

如果这篇博客对你有帮助的话，可以用你们的小手指点一个免费的赞并收藏起来哟~

如果期待博主下期内容的话，可以点点关注，避免找不到我了呢~

我们下期不见不散~~