容器适配器：Stack与Queue的底层奥秘

用户11831438

发布于 2025-12-30 14:10:21

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一. 容器适配器的核心思想

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，本质是接口转换：通过封装一个底层容器（如 deque、vector、list），屏蔽藏其部分接口，仅暴露符合自身数据访问规则的方法。例如：

Stack 需 “后进先出（LIFO）”，只需底层容器支持尾插（push_back）、尾删（pop_back）、取尾元素（back）即可；
Queue 需 “先进先出（FIFO）”，只需底层容器支持尾插（push_back）、头删（pop_front）、取头元素（front）、取尾元素（back）即可。

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：

二、基于容器适配器的Stack实现

Stack 的核心是 “仅允许栈顶操作”，我们通过模板参数指定底层容器（默认使用 deque，兼顾效率与灵活性），封装其尾操作接口

2.1 代码实现

#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>
using namespace std;
namespace carrot
{
	//T为元素类型，Container为底层容器类型
	template<class T,class Container=deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		const T& top()
		{
			return _con.back();
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

模板参数灵活性：用户可指定任意支持 push_back/pop_back/back 的容器作为底层（如 stack<int, vector<int>> st; 或 stack<int, list<int>> st;）

如果底层容器中不支持这些操作，则报错！！！

2.2 测试接口

#include"stack_queue.h"
namespace carrot
{
	void testStack1()
	{
		//底层容器可以是vector<int> 、list<int>
		//如果不传底层容器，默认是deque(双端队列)
		stack<int, vector<int>> st;
		//入栈
		st.push(1);
		st.push(2);
		st.push(3);
		st.push(4);
		st.push(5);
		st.push(6);
		//取栈顶元素
		int top = st.top();
		cout << top << endl;
		//出栈
		st.pop();
		//栈中元素个数
		size_t _size = st.size();
		cout << _size << endl;
		//打印栈中元素
		while (!st.empty())
		{
			cout << st.top() << " ";
			st.pop();
		}
	}
}
int main()
{
	carrot::testStack1();
	return 0;
}

输出结果：

三、适配器模式：Queue的模拟实现

Queue 的核心是 “队尾入、队头出”，同样通过模板参数指定底层容器（默认 deque），封装其尾插、头删等接口。

3.1 代码实现

#include<iostream>
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>
using namespace std;
namespace carrot
{
	//T为元素类型，Container为底层容器类型
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}
		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}
		const T& back()
		{
			return _con.back();
		}
		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}
		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

对于queue的底层容器，不使用vector容器，因为vector容器中不支持pop_front（头删）的接口，如果使用vector作为底层容器，头删只能调用erase接口，但是时间复杂度为O(n)，所以不建议使用vector作为底层容器

3.2 接口测试

namespace carrot
{
	void testQueue1()
	{
        //底层容器默认是deque，不建议使用vector
		queue<int, list<int>> q;
		//入队列
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);
		q.push(5);
		//取队头
		int front = q.front();
		cout << front << endl;
		//出队头
		q.pop();
		front = q.front();
		cout << front << endl;
		//取队尾
		int back = q.back();
		cout << back << endl;
		//有效数据个数
		size_t _size = q.size();
		cout << _size << endl;
		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
	}
}

运行结果：

四. 双端队列 deque：结构与适配逻辑

4.1 容器特性对比：Stack与List

	优点	缺点
vector	1、支持快速下标随机访问 2、尾删尾插效率很高 3、CPU高速缓存访问命中率高，数据访问效率高	1、头部或者中间位置的插入和删除效率很低（O(N） 2、插入存在扩容，扩容也有一定性能的消耗，扩容也会存在空间的浪费
list	1、任意位置插入删除效率很高O(1) 2、插入不存在扩容，按需申请释放内存	1、不支持快速下标的随机访问 2、CPU高速缓存访问命中率低，数据访问效率低

大家对CPU高速缓存感兴趣的话可以看一下这篇文章：

与程序员相关的CPU缓存知识 | 酷壳 - CoolShell

4.2 deque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：

4.3 deque 底层结构：缓冲区与中控器的协作

deque 的底层结构可拆解为 “中控器 + 缓冲区” 两部分，二者配合实现 “伪连续” 特性，具体结构如下：

deque 通常由一个中控器（Map） 和多个固定大小的缓冲区组成。

中控器（Map）：
- 它是一个动态数组（例如 vector），存储的是指针。
- 每个指针指向一块固定大小的连续线性空间（即一个缓冲区）。
- 本质是一个动态数组，存储的是各个缓冲区的首地址。
缓冲区（Buffer）：
- 是实际存储数据的单元。
- 大小是固定的，例如 512 字节或 16 个元素（取决于实现和元素类型）

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：

迭代器的 “衔接” 作用： deque 的迭代器是实现 “伪连续” 的关键，它内部包含四个核心成员：

cur：指向当前缓冲区中正在访问的元素。
first：指向当前缓冲区的起始位置。
last：指向当前缓冲区的末尾位置（不含有效元素）。
node：指向中控器中当前缓冲区地址所在的节点。

当迭代器从一个缓冲区的末尾（cur == last）移动到下一个元素时，会通过 node 找到下一个缓冲区的地址，再将 cur 指向新缓冲区的 first，从而实现 “跨缓冲区连续访问” 的效果。

底层的一些源码和满了之后头插尾插的逻辑：

4.4 deque 的优缺点：适用场景与局限性

类别	优点	缺点
头尾操作	头尾插入、删除效率都不错
数据访问	CPU高速缓存命中也不错，数据访问效率高	随机访问支持，但是相对vector不够极致，大量[ ] 访问，还得是vector
中间操作		中间插入、删除效率低，时间复杂度为O(n)

适用场景：

适合只需头尾操作、无需频繁遍历的场景，因此成为 stack（仅尾操作）、queue（头尾操作）的默认底层容器，能 “扬长避短”。

deque的使用：

#include<iostream>
#include<deque>
using namespace std;
void testdeque1()
{
	deque<int> dq;
	dq.push_back(1);
	dq.push_back(2);
	dq.push_back(3);
	dq.push_back(4);
	dq.push_back(5);
	for (auto& e : dq)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
	for (auto& e : dq)
	{
		e += 10;
		cout << e << " ";
	}
}

deque的使用和string、vector、list的使用没有任何区别。

和vector的sort效率对比：

#include<iostream>
#include<deque>
#include<vector>
#include<time.h>
#include<algorithm>
using namespace std;
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);
}
//
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);
}

int main()
{
	test_op1();
	test_op2();

	return 0;
}