STL之stackqueue篇（上）探索C++ STL中的Queue与Stack——构建数据处理的基础框架

---

前言

本文旨在深入探讨C++ STL中的queue与stack容器，从它们的基本概念、底层实现、成员函数到应用场景，全方位解析这两个容器的魅力所在。我们将通过生动的示例和详细的解释，帮助读者理解queue与stack的工作原理，掌握它们的使用方法，并启发读者在实际编程中灵活运用这两个容器，解决复杂的数据处理问题。
无论你是C++编程的初学者，还是有一定经验的开发者，本文都将为你提供一个全面、深入的视角，让你在数据结构的海洋中，找到属于自己的导航灯塔。让我们一起踏上这段探索之旅，共同领略queue与stack带来的编程魅力吧！

一、stack

1.1 定义与基本概念

stack是C++ STL中的一个容器适配器，它提供了一种后进先出（LIFO, Last In First Out）的数据结构。作为容器适配器，stack是对特定容器类进行封装，并提供了一组特定的成员函数来访问其元素。这些元素只能被添加（push）到容器的“顶部”，也只能从“顶部”移除（pop）。

1.2 底层容器

stack的底层容器可以是任何支持以下操作的容器类模板：

• empty()：判空操作。
• back()：获取尾部元素操作。
• push_back()：尾部插入元素操作。
• pop_back()：尾部删除元素操作。

标准容器vector、deque、list均符合这些需求。默认情况下，如果没有为stack指定特定的底层容器，它将使用deque。

1.3 成员函数

stack提供了以下常用的成员函数：

• push(const T& x)：向栈顶添加一个元素。
• pop()：移除栈顶元素。
• top()：返回栈顶元素的引用。
• empty()：检查栈是否为空。
• size()：返回栈中元素的数量。

1.4 使用示例

以下是一个简单的使用stack的示例：

#include <iostream>  
#include <stack>  int main() {  std::stack<int> myStack;  // 向栈中添加元素  myStack.push(10);  myStack.push(20);  myStack.push(30);  // 访问栈顶元素  std::cout << "栈顶元素: " << myStack.top() << std::endl; // 输出 30  // 移除栈顶元素  myStack.pop();  std::cout << "出栈后栈顶元素: " << myStack.top() << std::endl; // 输出 20  // 检查栈是否为空  if (myStack.empty()) {  std::cout << "栈为空" << std::endl;  } else {  std::cout << "栈不为空" << std::endl; // 输出这个  }  // 获取栈的大小  std::cout << "栈的大小: " << myStack.size() << std::endl; // 输出 2  return 0;  
}

1.5 注意事项

1. 栈顶元素访问：使用top()函数可以访问栈顶元素，但该函数不删除栈顶元素。如果栈为空，调用top()函数将导致未定义行为。
2. 栈的修改：push()函数用于向栈中添加元素，而pop()函数用于移除栈顶元素。这两个函数都修改了栈的内容。
3. 异常安全性：STL中的stack容器是异常安全的。如果在添加或删除元素时发生异常，stack将保持其有效性。
4. 内存管理：默认情况下，stack使用deque作为其底层容器，因此其内存管理策略与deque相同。如果需要自定义内存管理策略，可以使用自定义的分配器。

1.6 应用场景

stack容器在以下场景中非常有用：

• 函数调用栈：在编译器和操作系统中，函数调用栈用于存储函数调用信息，包括参数、局部变量和返回地址。
• 表达式求值：在编译器中，可以使用栈来求值后缀表达式（逆波兰表示法）。
• 深度优先搜索（DFS）：在算法和数据结构中，栈常用于实现深度优先搜索算法。
• 撤销操作：在某些应用程序中，可以使用栈来存储用户的操作历史，以便在需要时撤销操作。

综上所述，C++ STL中的stack容器是一个功能强大且易于使用的数据结构，它提供了后进先出的特性，并广泛应用于各种场景。

二、queue

2.1 定义与基本概念

queue是C++ STL中的一个容器适配器，它提供了一种先进先出（FIFO, First In First Out）的数据结构。与stack类似，queue也是对特定容器类进行封装，并提供了一组特定的成员函数来访问其元素。这些元素只能被添加（enqueue）到容器的“尾部”，也只能从“头部”移除（dequeue）。

2.2 底层容器

queue的底层容器可以是任何支持以下操作的容器类模板：

• empty()：判空操作。
• front()：获取头部元素操作。
• back()：获取尾部元素操作。
• push_back()：尾部插入元素操作。
• pop_front()：头部删除元素操作（注意，这里的描述是为了与queue的操作对应，实际上queue没有直接的pop_front()成员函数，而是通过pop()实现头部删除）。

标准容器deque、list以及vector（尽管vector在头部删除时效率不高，但理论上仍可作为底层容器）均符合这些需求。默认情况下，如果没有为queue指定特定的底层容器，它将使用deque。

2.3 成员函数

queue提供了以下常用的成员函数：

• push(const T& x)：向队列尾部添加一个元素。
• pop()：移除队列头部元素。
• front()：返回队列头部元素的引用。
• back()：返回队列尾部元素的引用。
• empty()：检查队列是否为空。
• size()：返回队列中元素的数量。

2.4 使用示例

以下是一个简单的使用queue的示例：

#include <iostream>  
#include <queue>  int main() {  std::queue<int> myQueue;  // 向队列中添加元素  myQueue.push(10);  myQueue.push(20);  myQueue.push(30);  // 访问队列头部元素  std::cout << "队列头部元素: " << myQueue.front() << std::endl; // 输出 10  // 访问队列尾部元素  std::cout << "队列尾部元素: " << myQueue.back() << std::endl; // 输出 30  // 移除队列头部元素  myQueue.pop();  std::cout << "出队后队列头部元素: " << myQueue.front() << std::endl; // 输出 20  // 检查队列是否为空  if (myQueue.empty()) {  std::cout << "队列为空" << std::endl;  } else {  std::cout << "队列不为空" << std::endl; // 输出这个  }  // 获取队列的大小  std::cout << "队列的大小: " << myQueue.size() << std::endl; // 输出 2  return 0;  
}

2.5 注意事项

1. 队列元素访问：使用front()函数可以访问队列头部元素，使用back()函数可以访问队列尾部元素，但这两个函数都不删除元素。如果队列为空，调用front()或back()函数将导致未定义行为。
2. 队列的修改：push()函数用于向队列中添加元素，而pop()函数用于移除队列头部元素。这两个函数都修改了队列的内容。
3. 异常安全性：STL中的queue容器是异常安全的。如果在添加或删除元素时发生异常，queue将保持其有效性。
4. 不支持迭代器：与stack类似，queue也不支持迭代器，因此不能使用迭代器来遍历队列中的元素。
5. 内存管理：默认情况下，queue使用deque作为其底层容器，因此其内存管理策略与deque相同。如果需要自定义内存管理策略，可以使用自定义的分配器。

2.6 应用场景

queue容器在以下场景中非常有用：

• 任务调度：在操作系统和并发编程中，queue常用于存储待处理的任务或事件。
• 广度优先搜索（BFS）：在算法和数据结构中，queue常用于实现广度优先搜索算法。
• 消息传递：在进程间通信或线程间通信中，queue可用于存储和传递消息。
• 缓存管理：在某些应用场景中，queue可用于实现带有限制大小的缓存，当缓存满时，可以移除最早添加的元素。

综上所述，C++ STL中的queue容器是一个功能强大且易于使用的数据结构，它提供了先进先出的特性，并广泛应用于各种场景。