基于容器适配器模式的 Stack 与 Queue 实现：复用底层容器的优雅设计

LOTSO

发布于 2025-10-29 15:19:35

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🎬 博主简介：

前言：

在 C++ 中，Stack（栈）和 Queue（队列）并非从零构建的容器，而是通过 “容器适配器” 模式实现 —— 即复用现有容器的接口，封装出符合自身规则的新数据结构。本文将参考标准库的设计思想，基于自定义底层容器适配，实现功能完整的 Stack 与 Queue，重点解适配器模式的核心逻辑。

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。

这种设计的优势在于：无需重复实现内存管理逻辑，直接复用底层容器的成熟功能，同时保持接口的简洁性。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. Stack 的适配器实现

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：

#pragma once
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>
using namespace std;
namespace Lotso
{
	// 模板参数：T为元素类型，Container为底层容器类型（默认deque<T>）
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		stack() {}
		void push(const T& x )
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_back();
		}

		const T& top() 
		{
			return _con.back();
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty() const
		{
			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<string, list<string>> st;）。

2.2 测试接口

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include"stack.h"
using namespace std;

int main()
{
	//Lotso::stack<int, vector<int>> st; // 数组实现
	//Lotso::stack<int, list<int>> st;   // 链表实现
	Lotso::stack<int> st;//默认是用的deque
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);

	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

测试完成，输出结果符合预期。

三. Queue 的适配器实现

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

#pragma once
#include<list>
#include<deque>
using namespace std;
namespace Lotso
{
	// 模板参数：T为元素类型，Container为底层容器类型（默认deque<T>）
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		queue() {}
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}

		const T& back()
		{
			return _con.back();
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}

用 vector 作为底层容器（vector::pop_front 效率极低，时间复杂度 O (n)），所以我们一般不会去使用它来作为底层容器

3.2 测试接口

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include"queue.h"
using namespace std;

int main()
{
	//Lotso::queue<int> q;//默认是用的deque
	//Lotso::queue<int, vector<int>> q; // ֧这个不用最好
	Lotso::queue<int, list<int>> q;//链表实现

	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);

	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " ";
		q.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

四. 双端队列 deque：结构与适配逻辑

4.1 vector与list的优缺点对比(附CPU高效缓存)

类别	vector	list
访问特性	支持快速下标随机访问；CPU 高速缓存命中率高，数据访问效率优异	不支持快速下标随机访问；CPU 高速缓存命中率低，数据访问效率较差
增删特性	尾插、尾删操作效率极高；头部或中间位置插入/删除效率低下（时间复杂度 (O(N))），且插入可能触发扩容，存在性能损耗与空间浪费	任意位置插入/删除效率极高（时间复杂度 (O(1))）；插入无需扩容，可按需申请与释放内存
排序性能	适合基于随机访问的排序算法（如快速排序），对数组形式的 vector，快速排序能高效利用其连续存储特性，缓存友好，排序速度快	因不支持随机访问，排序时需依赖指针遍历（如归并排序），无法高效利用 CPU 缓存，且指针操作额外开销大，排序速度慢于 vector 搭配快速排序的场景

数组因为是连续的物理空间，在CPU高速缓存命中率这块就有优势一点。因为我们如果没命中时，将内存数据加载到缓存是连续的一段一起的，然后再访问。

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 的本质与核心特性

deque即双端队列，是 STL 中一种双开口的 “连续” 空间数据结构。其核心特性围绕 “双端操作高效” 和 “空间利用灵活” 展开，具体可概括为两点：

双端操作效率高：支持在头部和尾部进行插入（push_front/push_back）、删除（pop_front/pop_back）操作，且时间复杂度均为 O(1)，无需像 vector 那样头操作时搬移大量元素，也无需像 list 那样维护节点间的指针关联。

“伪连续” 空间结构：表面上支持随机访问，给人 “连续空间” 的使用体验，但实际底层由一段段小的连续缓冲区(buffer)和一个中控器（map）组成 —— 中控器存储着各个缓冲区的地址，通过迭代器的特殊设计，将分段的缓冲区 “拼接” 成逻辑上的连续空间。

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：

缓冲区（buffer）：

存储实际数据的最小单元，是固定大小的连续内存块（比如默认大小为 512 字节）。
每个缓冲区独立存在，当数据装满一个缓冲区后，会新申请一个缓冲区，而非像 vector 那样扩容时整体迁移旧数据。

中控器（map）：

本质是一个动态数组，存储的是各个缓冲区的首地址。
当缓冲区数量增加导致中控器装满时，会申请一个更大的中控器（类似 vector 扩容），但只需拷贝旧中控器中存储的 “缓冲区地址”，无需迁移缓冲区中的实际数据，效率远高于 vector 扩容。

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 高速缓存命中率不错，数据访问效率高	随机访问支持，但相比 vector 不够极致，大量 [] 访问场景下，vector 更优
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”。

局限场景：

需要频繁遍历（如 for 循环遍历所有元素）、或需要大量随机访问的场景 —— 此类场景优先选择 vector（连续空间，遍历 / 随机访问高效），若需频繁中间插入 / 删除则选择 list。

实际使用案例：

#include<deque>

int main()
{
	deque<int> dp;
	dp.push_back(1);
	dp.push_back(1);
	dp.push_back(1);
	dp.push_front(2);
	dp.push_front(3);
	dp.push_front(4);

	dp[0] += 10;
	for (auto e : dp)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

和vector的sort效率对比：

#include<deque>
#include<vector>
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;
}

结尾：

往期回顾： 《C++ Stack 与 Queue 完全使用指南：基础操作 + 经典场景 + 实战习题》 结语：本文实现的 Stack 与 Queue 严格遵循容器适配器模式，通过封装底层容器，以极少的代码实现了完整功能。这种设计不仅体现了 “复用” 的编程思想，更展示了如何通过接口抽象，将复杂的内存管理与数据结构规则解耦。理解适配器模式，能帮助我们更深入地掌握 C++ 标准库的设计哲学，在实际开发中写出更优雅、高效的代码。