【C++】—— stack & queue & deque
1 stack 与 queue 的函数接口2 适配器2.1 发现问题2.2 什么是适配器 3 stack 与 queue的模拟实现3.1 栈的基础框架3.2 栈的模拟实现3.3 队列的模拟实现 4 模板的按需实例化5 deque 的简单介绍5.1 vector 与list对比5.1.1 vector5.1.2 list 5.2 deque 的基本结构5.3 deque 的迭代器5.4 operator[] 的简单原理5.5 选择deque作为其底层容器原因
1 stack 与 queue 的函数接口
stack 与 queue 的使用非常简单，相信大家看一眼他们的函数接口就会了，这里就不再过多介绍
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| s t a c k stack stack() | 构造空的栈 |
| e m p t y empty empty() | 检测 s t a c k stack stack 是否为空 |
| s i z e size size() | 返回 s t a c k stack stack 中元素的个数 |
| t o p top top() | 返回栈顶元素的引用 |
| p u s h push push() | 将元素 v a l val val 压入 s t a c k stack stack 中 |
| p o p pop pop() | 将 s t a c k stack stack 中尾部的元素弹出 |
| 函数声明 | 接口说明 |
|---|---|
| q u e u e queue queue() | 构造空的队列 |
| e m p t y empty empty() | 检测队列是否为空，是返回 t r u e true true，否则返回 f a l s e false false |
| s i z e size size() | 返回队列中有效元素的个数 |
| f r o n t front front() | 返回队列头元素的引用 |
| b a c k back back() | 返回队列尾元素的引用 |
| p u s h push push() | 在队尾元素 v a l val val 入队列 |
| p o p pop pop() | 将队头元素出队列 |
2 适配器
2.1 发现问题
我们看stack或queue的文档，会发现有这样的介绍：
文档说stack是一种容器适配器，那么适配器又是什么呢？以及它的模板参数为什么是两个，不是传一个类型就可以了吗？ d e q u e deque deque又是什么鬼
别急，我们现在就来学习，我们先来了解什么是适配器
2.2 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一个接口。
适配器其实就是适配器模式。设计模式总共有 23 种，设计模式就好比孙子兵法中的战术，是前人不断总结实践出来的经验方法。迭代器的设计某种程度上来说就是一种设计模式，为迭代器模式。
例如充电：现在插座是三孔的，两孔的插头想要充上电，可以用一个电源适配器进行转换
适配的本质是一种转换接口
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，这是因为栈和队列只是对其他容器的接口进行了包装。
3 stack 与 queue的模拟实现
3.1 栈的基础框架
根据我们前面学习STL库中的其他容器的经验
我们模拟实现栈，其基本结构可以是这样的
namespace my_stack{template<class T>struct stack{public://成员函数···private:T* _a;size_t _top;size_t _capacity;};} 现在，我们学习了适配器模式，可以不用上述方式去实现。
我们尝试使用适配器的方式去实现。
我们想，可不可以像库中的一样用其他的容器进行封装转换一下，从而实现一个栈呢？
可以的，因为栈主要支持两个东西：在栈顶插入 p u s h push push 和在栈顶删除 p o p pop pop。那理论上只要那个容器支持在同一端插入和删除就能够支持栈。那 vector 和 list 都支持，这样我们的栈就不需要我们自己去实现，直接封装一下 v e c t o r vector vector 或 l i s t list list 不就行了。
如下：
template<class T>class stack{public://成员函数private:vector<T> _v;};但这样写，无疑就写死了，于是有人发明了如下写法：
template<class T, class Container = vector<T>>class stack{public://成员函数private:Container _con;};这里，用 C o n t a i n e r Container Container 适配转换出 s t a c k stack stack
那 C o n t a i n e r Container Container 是什么类型呢？默认是 v e c t o r vector vector，如果传 l i s t list list 就是 l i s t list list，传其他容器就是其他容器
3.2 栈的模拟实现
那接下来实现一个栈就很容易啦，只需复用 Container 中的成员函数即可
namespace my_stack{// Containerתstacktemplate<class T, class Container = vector<T>>class stack{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_back();}const T& top() const{//return _con.func();return _con.back();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:Container _con;};}
3.3 队列的模拟实现
学习了 s t a c k stack stack 的模拟实现，队列的模拟实现就很简单啦，他们都是类似的。
需要注意的是队列是先进后出，即一端进另一端出，就不再适合用 v e c t o r vector vector，这里我们的默认容器改为 l i s t list list
namespace my_list{template<class T, class Container = list<T>>class queue{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_front();}const T& front() const{return _con.front();}const T& back() const{return _con.back();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:Container _con;};}
4 模板的按需实例化
我们使用自己实现的队列，使用 v e c t o r vector vector 作为容器有没有问题呢？
int main(){my_list::queue<int, vector<int>> q1;q1.push(1);q1.push(2);q1.push(3);return 0;}
可以看到，是没问题的。
可是不应该啊，因为模板中我们实现的pop()函数调用了容器的pop_front()函数，而 vector 容器是没有 pop_front() 函数的，这不应该报错吗？
这里要讲一个新的知识点：按需实例化
类模板实例化时，编译器只会实例化那些显式调用了的函数，使用哪些成员函数就实例化哪些，不会全部实例化
my_list::queue<int, vector<int>> q1; 这一句代码是把类模板实例化了。但是将这个类模板实例化了，编译器会将这个类所有的成员函数都实例化吗？不会，编译器实例化这个类时，它的原则是：用什么成员函数实例化哪些成员函数。
而编译器对模板只会检查大框架（比如：漏了一个 ‘;’），而不会检查具体的实现细节。编译器只会对实例化了的东西进行细致的检查。
上述代码，编译器只实例化了 p u s h push push 和 构造函数，剩下的函数都没实例化。而 p o p pop pop 函数并没有被实例化。没有实例化，没有生成具体的函数，里面的语法自然就不会细节地去检查
int main(){my_list::queue<int, vector<int>> q1;q1.push(1);q1.push(2);q1.push(3);q1.pop();return 0;}
调用了 p o p pop pop 函数才会报错。
所以模板没有全部使用之前，并不能保证里面的语法没有问题
5 deque 的简单介绍
不知大家发现没有，库中 stack 和 queue 的默认容器并不是 v e c t o r vector vector 或 l i s t list list，而是 deque。
那么 d e q u e deque deque 是什么呢？我们一起来简单了解一下。
5.1 vector 与list对比
我们先来简单对比一下 v e c t o r vector vector 与 l i s t list list 的优缺点
5.1.1 vector
优点:
尾插尾删效率不错，支持高效下标随机访问物理空间连续，所以高速缓存利用率高 缺点:
空间需要扩容，扩容有一些代价（效率和空间浪费）头部和中部插入删除效率低
5.1.2 list
优点：
按需申请释放空间，不需要扩容任意位置插入删除效率高 缺点:
不支持下标随机访问物理空间不连续，高速缓存利用率低
5.2 deque 的基本结构
deque 的中文名是：双端队列，虽然名字和 q u e u e queue queue 有点像，但它和 q u e u e queue queue 没有任何关系。
d e q u e deque deque 可以看成是 v e c t o r vector vector 和 l i s t list list 的缝合。
d e q u e deque deque 是由一段一段小数组（这里取名为 b u f f buff buff 数组）和一个中控数组组成。
中控数组是一个指针数组，放着每一个 buff 数组的指针。而 b u f f buff buff 数组则存放数据。第一个 b u f f buff buff 的数组会放在中控数组的中间
如果进行头插，则在中控数组最前面增加一个数组指针，并在 b u f f buff buff 数组从后往前插入数据；如果尾插，则在中控数组最后面增加数组指针，并在 b u f f buff buff 数组中从前往后插入数据。
如果空间不够需进行扩容，只需扩容中控数组拷贝中控数组的指针，并新开辟一个 buff 即可
5.3 deque 的迭代器
d e q u e deque deque 的迭代器由四个指针组成
cur：指向当前访问 b u f f buff buff 的数据first：指向一个 b u f f buff buff 的开始last：指向一个 b u f f buff buff 的结束node：为二级指针，反向指向中控数组 
那么 d e q u e deque deque 的迭代器是如何管理整个结构的呢？
我们结合图来简单了解一下
d e q u e deque deque 中主要的成员变量由两个迭代器组成：start 和 finish。 s t a r t start start 即 b e g i n begin begin() 返回的迭代器； f i n i s h finish finish 即 e n d end end() 返回的迭代器。
当用迭代器遍历整个 d e q u e deque deque：
iterator it = begin();while(it != end()){cout << *it << " ";++it;}while(it != end())，!= 其实比较的是迭代器中的 c u r cur cur 是否相等cout << *it << " "; *it，其本质是解引用 c u r cur cur++it;分为两种情况 当前的 b u f f buff buff 没有走完（判断条件 c u r cur cur != l a s t last last）：++cur当前 b u f f buff buff 走完（判断条件 c u r cur cur == l a s t last last）：通过 n o d e node node 找到当前 buff 地址在中控数组的位置，++ n o d e node node 找到下一个 b u f f buff buff 的地址，解引用就是下一个 b u f f buff buff。更新 f i r s t first first 与 l a s t last last， c u r cur cur 指向第一个位置。
5.4 operator[] 的简单原理
这里讲一下 o p e r a t o r operator operator[] 的实现，即查找第 i 个数据。
因为第一个 b u f f buff buff 前面的空的，所以先对第一个buff特殊处理，先判断是否在第一个 b u f f buff buff 中。之后假设第一个buff是满的。比如第一个 b u f f buff buff 只有后面三个位有数据，则假设补满；找第 i i i 个数据，改为找第 i i i + 5 个后通过 i / N 找到第 n n n 个 b u f f buff buff，再通过 i % N 找到其在第 n n n 个 b u f f buff buff 的第 m m m 个位置。（ N N N 为每个 b u f f buff buff 的长度）
这里我们演示一下 d e q u e deque deque 的 o p e r a t o r operator operator[] 效率：
void test1(){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);}
相差两倍左右
void test1(){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);}
依然是 v e c t o r vector vector 快，同时也可以看成拷贝的代价是很低的
5.5 选择deque作为其底层容器原因
d e q u e deque deque的优缺点：
d e q u e deque deque 的头插尾插效率很高，更甚于 v e c t o r vector vector 和 l i s t list list下标随机访问也还不错，但相比 v e c t o r vector vector 略逊一筹但中间插入效率很低，需要挪动数据，是 O( n n n)deque 在实践中应用并不多，主要是用于 s t a c k stack stack 和 q u e u e queue queue 的底层结构 s t a c k stack stack 和 q u e u e queue queue 不需要遍历(因此 s t a c k stack stack 和 q u e u e queue queue 没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作，完美符合 d e q u e deque deque 头插尾插效率高的优点。
在 s t a c k stack stack 中元素增长时， d e q u e deque deque 比 v e c t o r vector vector 的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)； q u e u e queue queue 中的元素增长时， d e q u e deque deque不仅效率高，而且内存使用率高（不需要频繁开辟细碎的空间）。 结合了 d e q u e deque deque 的优点，而完美的避开了其缺陷。
好啦，本期关于 s t a c k stack stack & q u e u e queue queue & d e q u e deque deque 的知识就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助。同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在 C++ 的学习路上一起进步！