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[数据结构与算法]deque底层实现 + stack/queue模拟实现

模拟实现stack和queue之前,我们需要先看看C++给我们提供的stack和queue是什么样子的

T 我们知道是存入stack/queue的数据类型,但是后面的Container是什么??这是因为栈的底层既可以使用顺序容器实现,也可以使用链表实现,既然使用的容器不固定,那就索性用一个泛型Container来表示。所以在模拟实现之前我们先了解一下什么是deque?为什么要选择deque作为缺省??


目录

一、deque

1、deque的底层实现

?2、为什么deque无法得到重用??

(1) deque随机访问? vs? vector随机访问

(2) deque的中间插入? vs? list的中间插入

3、deque有哪些优势?

(1) 无序频繁申请空间

(2) 扩容代价小,空间浪费少

(3) 支持头插头删、尾插尾删(deque作为缺省的关键原因)

二、stack/queue模拟实现

1、适配器

2、stack容器模拟实现

3、queue容器模拟实现


一、deque

deque是双端队列,具备着vector和list的优点,支持随机访问,不用频繁的按需申请空间,既然如此优秀,那为什么平时见的不是特别多?下面说完deque的底层实现,就明白了

1、deque的底层实现

假设有这样一个数组,里面存了8个数,而且已经存满了。现在要继续向里面添加内容,换做是vector,一般都是要使用realloc在原本的基础上,或者在其他地方新开辟一块空间并把数据拷贝到新空间

但是,deque不走寻常路,他再整一个同样大小的数组,把数据放到新的数组里

那如果现在要头插呢,vector一般是要把元素依次向后挪一位,然后再把数据放到第一位,但是deque也是像上面那样,在buffer前面整一个同样大小的数组,然后把要头插的数据放到这个数组里,这是一种典型的空间换时间的方式

?为了方便管理这些数组,deque还设置了一个指针数组,按照先后顺序来存放上述数组的地址

deque最核心的部分?是迭代器,即便有了指针数组来管理这些buffer,但是要如何访问到元素呢,deque的迭代器包含了四个部分:

node —— 当前指向的是哪个数组,即指针数组的下标? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

first —— 指向的数组的第一个元素的地址? ? ? ? last —— 指向的数组的最后一个元素的地址

cur —— 当前访问的元素的地址

如果要切换到下一个数组的时候,直接 node++ 即可

?2、为什么deque无法得到重用??

vector的随机访问速度非常快,但是deque却做不到那么快;list的中间插入非常快,但是deque也做不到那么快。虽然deque有着两个容器的优势,但是只有半桶水,所以deque无法替代两个容器。

(1) deque随机访问? vs? vector随机访问

假设要访问第3个元素,这个时候vector就显得更加快捷,直接下标访问即可,然而deque需要先通过某种方式知道第3个元素在第几个数组,然后再去数组里访问对应的元素,其中的复杂,可想而知。

(2) deque的中间插入? vs? list的中间插入

假设要在第三个元素后面插入一个数,这个时候list只需要循着地址找到第三个元素就可以插入了,但是deque是分了多个数组,这就需要考虑到把这个数组的元素移动到下一个数组,步骤就复杂许多了。

3、deque有哪些优势?

(1) 无序频繁申请空间

list虽然无法做到随机访问,但是可以按需申请,不会浪费空间,但是频繁的按需申请会降低效率,这一点deque要略优,无序频繁的按需申请,浪费的空间也不是很多

(2) 扩容代价小,空间浪费少

vector假设原本有1024个空间,扩容的话,一般是1.5倍或者2倍扩容,如果只是新增一个元素,就要扩大1024个空间,空间的浪费相当大,在这点上deque要略优,每次就申请一点点,也不用把旧数据拷贝到新空间。

(3) 支持头插头删、尾插尾删(deque作为缺省的关键原因)

list头插头删比较方便,vector尾插尾删比较方便,deque在这个方面同时具备了这两者的优点

使用stack容器 的主要目的是 尾插尾删

使用queue容器 的主要目的是 头删尾插

由于不涉及中间插入,deque在两端的插入和删除是比较优秀的,所以默认把deque作为缺省容器

二、stack/queue模拟实现

1、适配器

适配器是一种设计模式,该模式是将一个类的接口转化成我们所需要的另一个接口。比如下面的stack模拟实现,表面上是用stack来尾插尾删,实际上调用的是vector / list / deque的插入函数,这就把vector / list / deque转化成我们所需要的类

2、stack容器模拟实现

?stack的特点是先进后出,也就是尾插尾删

模拟实现类的代码如下:

namespace xing
{
	template<class T, class Container>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& val)        //尾插
		{
			_con.push_back(val);
		}
		void pop()                     //尾删
		{
			_con.pop_back();
		}

		int size()                     //计算容器大小
		{
			return _con.size();
		}
		const T& top()                 //取栈顶元素
		{
			return _con.back();
		}
	private:
		Container _con;		//存储数据的容器可以是vector或list
	};
}

?测试代码如下,顺序输入,逆序输出

int main()
{
	xing::stack<int,vector<int>> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);

	while (st.size()>0)
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

3、queue容器模拟实现

queue的特点是,先入先出,需要支持头删尾插

namespace xing
{
	template<class T,class Container>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& val)			//尾插
		{
			_con.push_back(val);
		}
		void pop()						//头删
		{
			_con.erase(_con.begin());    //vector可以使用[],但是list无法使用,所以这里统一使用迭代器
		}
		const T& front()				//获取头部元素
		{
			return _con.front();
		}

		int size()						//获取容器实际元素个数
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

测试代码如下,顺序输入,顺序输出

int main()
{
	xing::queue<int, list<int>> que;
	que.push(1);
	que.push(2);
	que.push(3);
	que.push(4);

	while (que.size() > 0)
	{
		cout << que.front() << " ";
		que.pop();
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

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加:2022-05-05 11:44:27  更:2022-05-05 11:45:33 
 
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