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来看看栈和队列不为人知的一面

我想栈和队列的原理大家应该很熟悉了,队列是先进先出,栈是先进后出。

如图所示:

栈与队列理论1

那么我这里在列出四个关于栈的问题,大家可以思考一下。以下是以C++为例,相信使用其他编程语言的同学也对应思考一下,自己使用的编程语言里栈和队列是什么样的。

  1. C++中stack 是容器么?
  2. 我们使用的stack是属于那个版本的STL?
  3. 我们使用的STL中stack是如何实现的?
  4. stack 提供迭代器来遍历stack空间么?

相信这四个问题并不那么好回答, 因为一些同学使用数据结构会停留在非常表面上的应用,稍稍往深一问,就会有好像懂,好像也不懂的感觉。

有的同学可能仅仅知道有栈和队列这么个数据结构,却不知道底层实现,也不清楚所使用栈和队列和STL是什么关系。

所以这里我在给大家扫一遍基础知识,

首先大家要知道 栈和队列是STL(C++标准库)里面的两个数据结构。

C++标准库是有多个版本的,要知道我们使用的STL是哪个版本,才能知道对应的栈和队列的实现原理。

那么来介绍一下,三个最为普遍的STL版本:

  1. HP STL 其他版本的C++ STL,一般是以HP STL为蓝本实现出来的,HP STL是C++ STL的第一个实现版本,而且开放源代码。

  2. P.J.Plauger STL 由P.J.Plauger参照HP STL实现出来的,被Visual C++编译器所采用,不是开源的。

  3. SGI STL 由Silicon Graphics Computer Systems公司参照HP STL实现,被Linux的C++编译器GCC所采用,SGI STL是开源软件,源码可读性甚高。

接下来介绍的栈和队列也是SGI STL里面的数据结构, 知道了使用版本,才知道对应的底层实现。

来说一说栈,栈先进后出,如图所示:

栈与队列理论2

栈提供push 和 pop 等等接口,所有元素必须符合先进后出规则,所以栈不提供走访功能,也不提供迭代器(iterator)。 不像是set 或者map 提供迭代器iterator来遍历所有元素。

栈是以底层容器完成其所有的工作,对外提供统一的接口,底层容器是可插拔的(也就是说我们可以控制使用哪种容器来实现栈的功能)。

所以STL中栈往往不被归类为容器,而被归类为container adapter(容器适配器)。

那么问题来了,STL 中栈是用什么容器实现的?

从下图中可以看出,栈的内部结构,栈的底层实现可以是vector,deque,list 都是可以的, 主要就是数组和链表的底层实现。

栈与队列理论3

我们常用的SGI STL,如果没有指定底层实现的话,默认是以deque为缺省情况下栈的低层结构。

deque是一个双向队列,只要封住一段,只开通另一端就可以实现栈的逻辑了。

SGI STL中 队列底层实现缺省情况下一样使用deque实现的。

我们也可以指定vector为栈的底层实现,初始化语句如下:

std::stack<int, std::vector<int> > third;  // 使用vector为底层容器的栈
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刚刚讲过栈的特性,对应的队列的情况是一样的。

队列中先进先出的数据结构,同样不允许有遍历行为,不提供迭代器, SGI STL中队列一样是以deque为缺省情况下的底部结构。

也可以指定list 为起底层实现,初始化queue的语句如下:

std::queue<int, std::list<int>> third; // 定义以list为底层容器的队列
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所以STL 队列也不被归类为容器,而被归类为container adapter( 容器适配器)。

我这里讲的都是C++ 语言中情况, 使用其他语言的同学也要思考栈与队列的底层实现问题, 不要对数据结构的使用浅尝辄止,而要深挖起内部原理,才能夯实基础。