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C++ STL学习之【容器适配器】
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🌇前言
适配器（配接器）是 STL 中的六大组件之一，扮演着轴承、转换器的角色，使得 STL 中组件的使用更为灵活，比如 栈和队列 就是属于适配器而非容器，以及神秘的反向迭代器也属于适配器
具有多种功能的电源适配器，可以满足多种需求
🏙️正文
1、适配器模式
从应用角度出发，STL 中的适配器可以分为三类：
- 容器适配器
container adapters - 迭代器适配器
iterator adapters - 仿函数适配器
functor adapters
其中，容器适配器 可修改底层为指定容器，如由 vector 构成的栈、由 list 构成的队列；迭代器适配器可以 实现其他容器的反向迭代器（后续介绍）；最后的仿函数适配器就厉害了，几乎可以 无限制的创造出各种可能的表达式
本文介绍的是容器适配器，即 栈 和 队列，最后还会介绍一下常作为这两种容器适配器的默认底层容器 双端队列
出自 《STL源码剖析》
2、栈 stack
栈 stack 是一种特殊的数据结构，主要特点为 先进后出 FILO，主要操作有：入栈、出栈、查看栈顶元素、判断栈空等；栈在原则上是不允许进行中部或头部操作的，这样会破坏栈结构的完整性
栈在生活中比较少见，比较形象的例子是米缸，最先倒进去的米总是最后才能吃到，这正好契合了栈先进后出的思想
官方文档中 stack 的接口也是比较少的
可以看出，栈有两个模板参数
- 参数1：
T栈中的元素类型，同时也是底层容器中的元素类型 - 参数2：
Container实现栈时用到的底层容器，这里为缺省参数，缺省结构为 双端队列deque
如何优雅的创建一个栈对象？
#include <iostream>
#include <stack>
#include <vector>
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
stack<int> s; //默认底层容器为 deque
stack<int, vector<int>> sv; //显示实例化底层容器为 vector
stack<char, list<char>> sl; //显示实例化底层容器为 list
cout << typeid(s).name() << endl; //查看具体类型
cout << typeid(sv).name() << endl;
cout << typeid(sl).name() << endl;
return 0;
}
注意： 关于参数3 allocator 是空间配置器，这里先不作讲解，后续再学习
2.1、常用接口学习
学习使用接口时，直接使用默认的底层容器即可（不需要传递模板参数2）
因为接口少且非常简单，所以上手起来很方便
#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;
int main()
{
stack<int> s; //构造一个栈对象
cout << "Original:>" << endl;
cout << "empty(): " << s.empty() << endl;
cout << "size(): " << s.size() << endl;
cout << endl << "Push:>" << endl;
s.push(1); //入栈3个元素
s.push(2);
s.push(3);
cout << "empty(): " << s.empty() << endl;
cout << "size(): " << s.size() << endl;
cout << "top(): " << s.top() << endl;
cout << endl << "Pop:>" << endl;
s.pop(); //出栈两次
s.pop();
cout << "empty(): " << s.empty() << endl;
cout << "size(): " << s.size() << endl;
cout << "top(): " << s.top() << endl;
return 0;
}
栈的常用接口就这几个，多用几次就熟悉了
2.2、模拟实现
因为是容器适配器，所以在模拟实现时，需要借助其他容器，这里选择使用 vector
#pragma once
#include <vector>
using namespace std;
namespace Yohifo
{
//这里选择模板参数2 底层容器 的缺省值为 vector
template<class T, class Container = vector<int>>
class stack
{
public:
//需要提供一个带缺省参数的构造函数，因为默认构造函数不接受传参
stack(const Container& c = Container())
:_c(c)
{}
//不需要显式的去写析构函数，默认生成的够用了
//同理拷贝构造、赋值重载也不需要
bool empty() const
{
return _c.empty();
}
size_t size() const
{
return _c.size();
}
//top 需要提供两种版本
T& top()
{
return _c.back();
}
const T& top() const
{
return _c.back();
}
//选取的底层容器必须支持尾部操作
void push(const T& val)
{
_c.push_back(val);
}
void pop()
{
//空栈不能弹出，可在底层容器中检查出来
_c.pop_back();
}
private:
Container _c; //成员变量为具体的底层容器
};
}
适配器的厉害之处就在于 只要底层容器有我需要的函数接口，那么我就可以为其适配出一个容器适配器，比如 vector 构成的栈、list 构成的栈、deque 构成的栈，甚至是 string 也能适配出一个栈，只要符合条件，都可以作为栈的底层容器，当然不同结构的效率不同，因此库中选用的是效率较高的 deque 作为默认底层容器
3、队列 queue
队列 queue 是另一种特殊的数据结构，遵循先进先出 FIFO，主要操作：入队、出队、判断队空、查看队头尾元素等
队列是一种生活中无处不见的场景，比如食堂打饭、柜台办理业务、排队出车站等等，所谓先来后到，形容的就是队列了
作为容器适配器，queue 官方提供的接口也是一样的少
和栈一样，队列也有两个模板参数：
- 参数1：
T队列中的元素类型，同时也是底层容器中的元素类型 - 参数2：
Container实现队列时用到的底层容器，这里为缺省参数，缺省结构为 双端队列deque
双端队列的优点在于高效的头尾操作和极致的空间使用，正好符合 栈和队列 的特殊需求
创建队列对象时，我们也可以指定其底层容器
#include <iostream>
#include<queue>
#include <vector>
#include <list>
using namespace std;
int main()
{
queue<int> qDeque; //默认使用 deque
queue<double, vector<double>> qVector; //指定使用 vector
queue<char, list<char>> qList; //指定使用 list
cout << typeid(qDeque).name() << endl; //查看具体类型
cout << typeid(qVector).name() << endl;
cout << typeid(qList).name() << endl;
return 0;
}
3.1、常用接口学习
queue 中的接口与 stack 差不多，不过 queue 出元素时是在队头操作，同时它支持访问队头、队尾元素，而 stack 只能访问栈顶元素
#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;
int main()
{
queue<int> q; //构建出一个队列对象
cout << "Original:>" << endl;
cout << "empty(): " << q.empty() << endl;
cout << "size(): " << q.size() << endl;
cout << endl << "Push:>" << endl;
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
q.push(4);
q.push(5);
cout << "empty(): " << q.empty() << endl;
cout << "size(): " << q.size() << endl;
cout << "front(): " << q.front() << endl;
cout << "back(): " << q.back() << endl;
cout << endl << "Pop:>" << endl;
q.pop();
q.pop();
q.pop();
cout << "empty(): " << q.empty() << endl;
cout << "size(): " << q.size() << endl;
cout << "front(): " << q.front() << endl;
cout << "back(): " << q.back() << endl;
return 0;
}
3.2、模拟实现
队列的模拟实现也是相当简单，这里选用 list 作为底层容器
#pragma once
#include <list>
using namespace std;
namespace Yohifo
{
template<class T, class Container = list<T>>
class queue
{
public:
queue(const Container& c = Container())
:_c(c)
{}
//这里也不需要提供拷贝构造、赋值重载、析构函数
bool empty() const
{
return _c.empty();
}
size_t size() const
{
return _c.size();
}
//选取的底层容器中，已经准备好了相关函数，如 front、back
T& front()
{
return _c.front();
}
const T& front() const
{
return _c.front();
}
T& back()
{
return _c.back();
}
const T& back() const
{
return _c.back();
}
void push(const T& val)
{
_c.push_back(val); //队列只能尾插
}
void pop()
{
_c.pop_front(); //队列只能头删
}
private:
Container _c; //成员变量为指定的底层容器对象
};
}
队列和栈在进行适配时，都是在调用已有的接口，若是特殊接口，比如 top、push、pop 等，进行相应转换即可
- 栈
top->back尾元素 - 栈、队列
push->push_back尾插 - 栈
pop->pop_back尾删 - 队列
pop->pop_front头删
4、小结
栈和队列在实际开发中作为一种辅助结构被经常使用，比如内存空间划分中的栈区，设计规则符合栈 FILO；操作系统中的各种队列，如阻塞队列，设计规则符合 队列 FIFO。除此以外，在很多 OJ 题中，都需要借助栈和队列进行解题
注：二叉树的最近公共祖先可以借助栈完成时间复杂度 O(N) 的解法
注意：
- 栈和队列都属于特殊的数据结构，原则上是不支持遍历的，因为一旦进行遍历，其中的数据必然被弹出，因此两者都没有提供迭代器
- 假设容器没有提供头尾操作，比如
map和set，那么就不能拿它们适配出 栈或队列，强行使用会报错
5、双端队列 deque（了解）
双端队列是官方指定的底层容器，其结构上的特殊设计决定了它只适合于头尾操作需求高的场景：双端队列 = vector + list，设计时就想汲取二者的优点（下标随机访问 + 极致的空间使用），但鱼和熊掌不可兼得，在复杂结构的加持之下，双端队列趋于中庸，无法做到 vector 和 list 那样极致，因此实际中也很少使用，比较适合当作适配器的底层容器
双端队列的数据结构：list + vector
- 利用
list构造出一个map作为主控数组（通过链式结构链接），数组中元素为数组指针 - 利用
vector构造出大小为N的小数组（缓冲区），这些小数组才是双端队列存储元素的地方
注意： 此处的 map 并非是容器 map，仅仅是名字相同而已
将二者结合起来，就得到了复杂的双端队列
deque 的扩容机制：只需要对中控数组 map 进行扩容，再将原 map 中的数组指针拷贝过来即可，效率比较高
deque 中的随机访问：
(下标 - 前预留位) / 单个数组长度获取对应小数组位置(下标 - 前预留位) % 单个数组长度获取其在小数组中的对应下标
由此可见，单个数组大小（缓冲区大小）需要定长，否则访问时计算会比较麻烦，但长度定长后，会引发中间位置插入删除效率低的问题
对此 SGI 版的 STL 选择牺牲中间位置插入，提高下标随机访问速度，令小数组定长，这也是将它作为 栈和队列 默认底层容器的原因之一，因为 栈和队列 不需要对中间进行操作
因为中控数组是链式结构，因此双端队列的迭代器设计极为复杂
cur指向当前需要的数据位置first指向buffer数组起始位置last指向buffer数组终止位置node反向指向中控数组
这个迭代器还是一个随机迭代器，因此可以使用 std::sort
- 无论是
deque还是list，直接排序的效率都不如借助vector间接排序效率高
deque 的缺点
- 中间位置插入删除比较麻烦，可以令小数组长度不同解决问题，不过此时影响随机访问效率
- 结构设计复杂，且不如
vector和list极致 - 致命缺陷：不适合遍历，迭代器需要频繁检测是否移动某段小空间的边界，效率很低
凑巧的是，栈和队列 可以完美避开所有缺陷，全面汲取其优点，因此 双端队列 为容器适配器的默认底层容器
对于这种中庸且复杂的容器，只需要做简单了解就行了
🌆总结
以上就是本篇关于 C++ STL学习之【容器适配器】的全部内容了，在本文中，我们首先学习了适配器默认，了解它存在的意义及种类；其次学习和模拟实现了两种容器适配器 栈和队列；最后认识了容器适配器的默认底层容器 双端队列，见识了其复杂的结构设计及优缺点。关于适配的下一种形态：迭代器适配器 将在下文中学习，同时 反向迭代器 的神秘面纱也将被揭开
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