【C++STL ：stack && queue (二) 】stack 与 queue 的模拟实现与双端队列探秘

艾莉丝努力练剑

发布于 2025-11-18 13:29:21

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文章被收录于专栏：C / C++C / C++

C++的两个参考文档

老朋友（非官方文档）：cplusplus 官方文档（同步更新）：cppreference
stack容器文档链接：stack queue容器文档链接：queue

3 ~> stack模拟实现

在C++ STL中，stack（栈）是一种重要的容器适配器，遵循后进先出(LIFO)原则。本文将深入探讨stack的两种实现方式：手动内存管理和容器适配器模式。

3.1 第一种实现：手动管理内存的栈

3.2 第二种实现：容器适配器模式的栈

3.2.1 向栈顶添加元素(压栈)

3.2.2 从栈顶移除元素(弹栈)

3.2.3 获取栈顶元素的引用

3.2.4 返回栈中元素的数量

3.2.5 检查栈是否为空，调用底层容器的empty方法

3.2.6 底层容器对象，实际存储数据

3.2.7 基于现有容器实现的栈数据结构

3.3 运行

3.3.1 代码演示

代码演示如下——

// stack
#include"stack.h"

int main()
{
	//jqj::stack<int, vector<int>> st; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
	//jqj::stack<int, list<int>> st;   // 使用list作为底层容器：链式数组
	jqj::stack<int> st;				// 使用默认容器（deque）
	// 栈操作
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);

	// 遍历并输出栈内容（后进先出）
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

3.3.2 运行结果

运行结果如下图所示——

4 ~> queue模拟实现

在C++标准模板库(STL)中，queue（队列）是一种重要的容器适配器，它遵循先进先出(FIFO)的原则。本文将深入解析queue的底层实现原理，并展示如何基于现有容器构建队列数据结构。

模板参数：template<class T, class Container = deque<T>>

关于底层容器，默认使用deque<T>，也可替换为list<T>，这个设计就是为了能够复用现有容器的功能，提供特定的队列接口，极大方便程序员写代码。

4.1 向队列尾部添加元素

4.2 从队列头部移除元素

4.3 获取队列头部元素的引用

4.4 获取队列尾部元素的引用

4.5 返回队列中元素的数量

4.6 检查队列是否为空

4.7 容器适配器——基于现有容器实现的队列数据结构

4.8 运行

4.8.1 代码演示

代码演示如下——

// queue
#include"queue.h"

int main()
{
	// 使用不同底层容器实现的自定义队列
	jqj::queue<int> q;				// 使用默认容器（deque）
	//jqj::queue<int, vector<int>> q; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
	//jqj::queue<int, list<int>> q;   // 使用list作为底层容器：链式数组

	// 队列操作
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);

	// 遍历并输出队列内容（先进先出）
	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " "; // 输出：1 2 3 4
		q.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

4.8.2 运行结果

运行结果如下图所示——

5 ~> 容器适配器

5.1 什么是适配器

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。

5.2 STL标准库中stack和queue的底层结构

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：

后面我们会介绍双端队列（deque）这个容器适配器。

6 ~> vector 和 list 的优缺点

6.1 vector的优缺点

6.1.1 vector的优点

1、支持快速地下标随机访问； 2、尾插尾删效率很高； 3、CPU高速缓存访问（包含读 / 写）命中率高——数据访问效率高。

100万个数据的数组排序，两者的运行时间差不多；100万个数组排序（快速排序）和100万个链表排序（归并排序），两者运行时间有一定差异。

GPU是也是一种特殊的CPU。

6.1.2 vector的缺点

1、头部 / 中间位置插入删除效率很低； 2、插入存在扩容，扩容也有一定性能消耗（（1）消耗不大；（2）越扩越慢——越扩越大，这个“慢”不是指性能，而是频率）、扩容也存在一定空间浪费。

如果知道要多大空间，用reserve可以一定程度上缓解这个问题。

6.2 list 的优缺点

6.2.1 list 的优点

1、任意位置插入、删除效率都很高（O(1)）； 2、插入不存在扩容，按需申请释放内存。

注意：使用迭代器查找位置属于查找的消耗，任意位置插入、删除效率是很高的。

6.2.2 list 的缺点

1、不支持快速地下标随机访问； 2、CPU高速缓存访问（包含读 / 写）命中率高——数据访问效率高。

6.2.3 总结

6.3 基于CPU高速缓存访问命中率低的拓展

关于缓存，这里推荐我们的老前辈陈皓老师的一篇文章——与程序员相关的CPU缓存知识

前面大家可以看看，写得很好！后面偏向【计算机组成原理】相关的内容，大家尽力而为！

上图中下面的图见陈皓老师的与程序员相关的CPU缓存知识一文。

7 ~> 了解双端队列

7.1 deque的原理介绍

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：

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：

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

7.2 设计出一个兼容他们优点的数据结构呢？deque（？）

7.3 deque的缺陷

能否用deque去替代vector 和 list的功能？不能。 ——初衷是好的，但是deque是不那么成功的。

与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩 容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。

与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。

但是，deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其 是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实 际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看 到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

运行一下——

7.4 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back(和pop_backo操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1、stack和queue不需要遍历（因此stack和queue没有迭代器），只需要在固定的一端或者两端进行操作。 2、在stack中元素增长时，deque比vector的效率高（扩容时不需要搬移大量数据）；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

deque结合了两者的优点，而完美的避开了其缺陷。

7.5 面试题

vector优缺点，list优缺点，折中方案——deque。 能不能替代？不能，为什么？

——就是上面的内容啦！

本文完整代码演示

底层实现完整展示

stack.h：

#pragma once
#include<vector>
#include<list>
#include<deque>

namespace jqj
{
	//template<class T>
	//class stack
	//{
	//	// ...
	//private:
	//	T* _a;
	//	size_t _top;
	//	size_t _capacity;
	//};

	// deque：双端队列
	template<class T,class Container = deque<T>>
	class stack
	{
	public:
		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;
	};
}

queue.h：

#include<vector>
#include<list>
#include<deque>

namespace jqj
{
	// 容器适配器
	// deque：双端队列
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front(); // 队头，先进先出后进后出
		}

		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;
	};
}

Test.cpp：

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS  1

// stack 和 queue的使用：构造、增删
#include<iostream>
#include<stack>
#include<queue>
using namespace std;

int main()
{
	// 栈(stack)的使用演示
	stack<int> st;
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.emplace(4); // emplace是C++11的高效插入

	// 遍历并清空栈 (LIFO: 后进先出)
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " "; // 输出栈顶元素：4 3 2 1
		st.pop(); // 弹出栈顶元素
	}
	cout << endl;

	// 队列(queue)的使用演示
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.emplace(4); // emplace是C++11的高效插入

	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " "; // 输出队头元素
		q.pop();				// 出队
	}

	return 0;
}

// stack
#include"stack.h"

int main()
{
	//jqj::stack<int, vector<int>> st; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
	//jqj::stack<int, list<int>> st;   // 使用list作为底层容器：链式数组
	jqj::stack<int> st;				// 使用默认容器（deque）
	// 栈操作
	st.push(1);
	st.push(2);
	st.push(3);
	st.push(4);

	// 遍历并输出栈内容（后进先出）
	while (!st.empty())
	{
		cout << st.top() << " ";
		st.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

// queue
#include"queue.h"

int main()
{
	// 使用不同底层容器实现的自定义队列
	jqj::queue<int> q;				// 使用默认容器（deque）
	//jqj::queue<int, vector<int>> q; // 使用vector作为底层容器：顺序表数组
	//jqj::queue<int, list<int>> q;   // 使用list作为底层容器：链式数组

	// 队列操作
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);

	// 遍历并输出队列内容（先进先出）
	while (!q.empty())
	{
		cout << q.front() << " "; // 输出：1 2 3 4
		q.pop();
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

Deque与vector && list效率对比代码演示

Test.cpp：

void Test_op1()
{
	srand(time(0));
	const int N = 10000000;

	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 = 10000000;

	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("vector:%d\n", end1 - begin1);
	printf("deque copy vector sort,sort back deque:%d\n", end2 - begin2);
}

int main()
{
	Test_op2();

	return 0;
}

效率对比（release版本运行）

结尾

往期回顾：

【C++STL ：stack && queue (一) 】stack与queue全解析｜深入使用，附高频算法题详解

结语：都看到这里啦！那请大佬不要忘记给博主来个“一键四连”哦！

🗡博主在这里放了一只小狗，大家看完了摸摸小狗放松一下吧！🗡 ૮₍ ˶ ˊ ᴥ ˋ˶₎ა

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原始发表：2025-10-22，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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