【C++从0到王者】第十七站：手把手教你写一个stack和queue及deque的底层原理

一、stack

1.利用适配器

我们不可能写了一份数组栈以后，还要在手写一个链式栈，这样显得太冗余了。于是我们可以利用适配器，传递一个我们想要使用的类型。这样我们的栈就可以做到数组栈和链式栈的秒切换了。从我们用的角度来说并没有太大差别，但是底层早已大变样了。

	template<class T, class Container>class stack{public:private:Container _con;};

2.栈的实现

有了上面的思路，我们就可以很容易的完成栈的接口

#pragma once
#include<vector>
#include<list>
namespace Sim
{template<class T, class Container = vector<T>>class stack{public:void push(const T& val){_con.push_back(val);}void pop(){_con.pop_back();}const T& top(){return _con.back();}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};void test_stack(){stack<int> st1;stack<int, list<int>> st2;st1.push(1);st1.push(2);st1.push(3);st1.push(4);while (!st1.empty()){cout << st1.top() << " ";st1.pop();}cout << endl;}
};

二、queue

如下所示，是queue的模拟实现，需要注意的是，queue是不可以用vector进行适配的，因为vector并未提供pop_front接口，但是如果想要强制适配的话也是可以的，使用erase接口即可

#pragma once
#pragma once
#include<vector>
#include<list>
namespace Sim
{template<class T, class Container = list<T>>class queue{public:void push(const T& val){_con.push_back(val);}void pop(){_con.pop_front();}const T& front(){return _con.front();}const T& back(){return _con.back();}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};void test_queue(){queue<int> q1;q1.push(1);q1.push(2);q1.push(3);q1.push(4);while (!q1.empty()){cout << q1.front() << " ";q1.pop();}cout << endl;}
};

三、deque

1.deque介绍

虽然我们上面使用的适配器缺省参数都是vector或者list，但是我们会发现，库里面的stack和list它的适配器都是deque。deque听名字好像是个队列，名字是双端队列。但是队列是有先进先出的特性的，它不是那么特别符合队列。

Deque(通常发音像“deck”)是双端队列的不规则缩写。双端队列是具有动态大小的序列容器，可以在两端(前端或后端)扩展或收缩。

特定的库可能以不同的方式实现deque，通常是某种形式的动态数组。但在任何情况下，它们都允许通过随机访问迭代器直接访问单个元素，并根据需要通过扩展和收缩容器来自动处理存储。

因此，它们提供了类似于向量的功能，但在序列的开始，而不仅仅是在序列的末尾，也可以有效地插入和删除元素。但是，与vector不同，deque不能保证将其所有元素存储在连续的存储位置:通过偏移指向另一个元素的指针来访问deque中的元素会导致未定义的行为。

vector和deque都提供了非常相似的接口，可以用于类似的目的，但两者在内部的工作方式却完全不同:vector使用单个数组，偶尔需要为增长重新分配，而deque的元素可以分散在不同的存储块中，容器内部保留必要的信息，以便在恒定时间内使用统一的顺序接口(通过迭代器)直接访问其任何元素。因此，deque在内部比vector更复杂，但这使得它们在某些情况下更有效地增长，特别是对于非常长的序列，重新分配变得更加昂贵。

对于涉及频繁插入或删除除开始或结束位置以外的元素的操作，deque的性能更差，迭代器和引用的一致性也不如列表和前向列表。

2.deque的接口

如下所示，是deque的接口，我们可以发现，它似乎同时具有list和vector的接口。而且它的迭代器还是随机迭代器。

deque的接口像是vector和list的合体。但是它看似很强，实际上效率不是很高。单论头插头删，尾插尾删效率还是不错的，但是综合性不是很好。

3.deque的基本使用

void test_deque()
{deque<int> dq;dq.push_back(1);dq.push_back(2);dq.push_back(3);dq.push_back(4);for (int i = 0; i < dq.size(); i++){cout << dq[i] << " ";}cout << endl;

我们可以得知

4.deque的效率

我们在前面说过，deque的综合效率是不高的。我们可以用下面的代码来看出

void test_op()
{srand(time(0));const int N = 1000000;vector<int> v1;vector<int> v2;v1.reserve(N);v2.reserve(N);deque<int> dq1;deque<int> dq2;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand();//v1.push_back(e);//v2.push_back(e);dq1.push_back(e);dq2.push_back(e);}// 拷贝到vector排序，排完以后再拷贝回来int begin1 = clock();// 先拷贝到vectorfor (auto& e : dq1){v1.push_back(e);}// 排序sort(v1.begin(), v1.end());// 拷贝回去size_t i = 0;for (auto& e : dq1){e = v1[i++];}int end1 = clock();int begin2 = clock();sort(dq2.begin(), dq2.end());int end2 = clock();printf("deque copy vector sort:%d\n", end1 - begin1);printf("deque sort:%d\n", end2 - begin2);
}

deque效率慢的原因主要就是因为它的随机访问[]的效率太低

5.deque的原理

我们知道：

1. 对于数组，可以下标随机访问，但是存在扩容问题，中间和头部插入效率低下
   

2. 对于链表，任意位置插入删除效率合适，按需申请释放，但是不支持随机访问

而现在，我们使用的deque的结构是这样，它是一段一段的开空间，每段空间都是一样大的，然后通过一个中控数组（指针数组）进行连接起来。想要扩容就在连接一块空间即可。当指针数组满了，就中控数组扩容即可。这样一来扩容的代价就很低。不需要拷贝原来的数组。对于头插尾插也很简单，就用专门的两个空间进行头插尾插即可

它相比vector极大的缓解了扩容、头插头删问题。但是它的[]运算符不够极致。它的[]需要计算在哪个buff数组，在哪个buff数组的第几个。如果我们想要使用它的[]运算符，它内部的逻辑会经历一下几个步骤

1. 先看在不在第一个buff数组里面，如果在，就直接访问
2. 不在第一个buff数组里面，i-=第一个buff数组的size
3. 第几个buff=i/buff.size()
4. 在这个buff的第几个=i%buff.size()

它相比list，可以支持随机访问，cpu高速缓存访问效率不错，头插尾插删除不错，但是中间位置插入删除效率低下。因为我们需要扩容或者挪动buff的数据。无论哪一种，效率都很低。

根据deque的底层原理，其实对于高频的头插头删，尾插尾删来说，deque还很适合，所以deque用于适配stack和queue来说是很合适的，因为它们只涉及到头部和尾部的插入删除，不涉及中间位置的插入删除

实际上在库里面的deque是更加复杂的，它的迭代器由四个指针组成，这使得deque更加复杂，首先由node指向中控，即指向当前的buff数组，cur指向当前buff数组中的某个数据，first和last指向当前数组的头和尾

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好了，本期内容就到这里了
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