C++使用适配器模式模拟实现栈和队列
1.容器适配器
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 。
比如说我们日常生活中用的充电器,就是一种电源适配器,本质就是对电流电压 转换成我们需要的大小。
2. stack模拟实现
stack满足只能在一端插入和删除就行,我们的底层用vector的话可以满足这个条件,底层用list同样也可以满足这个条件。
既然如此,我们就不需要原生实现栈,直接用vector或者list封装转换一下不就好了。
如果是用vector实现栈,就是数组栈,用list实现栈,就是链式栈。
2.1 准备工作
我们把栈的所有实现都放在stack.h里,在test.cpp里测试。
在stack.h里,包含会用到的头文件,用命名空间namespace与库里面的stack分隔开。
#pragma once #include <iostream> #include <list> #include <vector> using namespace std; namespace lyj { }
在namespace里用模板。
namespace lyj { template<class T, class Container> class stack { private: Container _con; }; }
第一个模板参数T是栈要存的数据类型,第二个模板参数Container是底层实现的类型,用Container适配转换出stack,传vector就封装vector实现,传list就封装list实现。
2.2 栈的接口实现
构造函数我们不用写,因为_con肯定是自定义结构,所以会调用自己的构造函数。
我们把尾当作栈顶。
namespace lyj { template<class T, class Container> class stack { public: void push(const T& x) //插入 { _con.push_back(x); } void pop() //删除 { _con.pop_back(); } const T& top() const //获取栈顶元素 { return _con.back(); } size_t size() const //获取有效个数 { return _con.size(); } bool empty() const //判空 { return _con.empty(); } private: Container _con; }; }
就非常方便简洁。
在test.cpp中使用一下我们写的这个stack。记得包含头文件#include "stack"
#include "stack.h" void test1() { lyj::stack<int, vector<int>> st;//注意参数 st.push(1); st.push(2); st.push(3); } int main() { test1(); return 0; }
上面显示就是底层是vector的栈,数组栈,然后我们插入了一些数据。
我们再演示一下底层是list的栈,链式栈,只需要把第二个参数换成list<int>就行。
void test2() { lyj::stack<int, list<int>> st; st.push(1); st.push(2); st.push(3); }
此时,栈的底层发生了巨大的变化,我们可以把数据存在vector实现的栈里面,也可以存在list实现的栈里面。
我们也可以给第二个参数Container给缺省值。
template<class T, class Container = vector<T>>
3.queue模拟实现
queue要满足在一端插入,在另一端删除,我们的底层用list的话可以满足这个条件,但是此时vector就不满足这个条件了。那我们先用list封装转换一下。
3.1 准备工作
我们把队列的所有实现都放在queue.h里,在原来的test.cpp里测试。
在queue.h里用命名空间namespace与库里面的queue分隔开,这个命名空间名字和栈取一样的。
namespace lyj { template<class T, class Container = list<T>> class queue { public: private: Container _con; }; }
第一个模板参数T是栈要存的数据类型,第二个模板参数Container是底层实现的类型,这里Container缺省值给list<T>。
3.2 队列的接口实现
构造函数我们还是不用写,因为_con肯定是自定义结构,所以会调用自己的构造函数。
queue的代码和stack大差不差,只是把pop部分变成_con里的头删。
template<class T, class Container = list<T>> class queue { public: void push(const T& x) //队尾插入 { _con.push_back(x); } void pop() //队头删除 { _con.pop_front(); } const T& top() const //获取队尾元素 { return _con.back(); } const T& front() const //获取队头元素 { return _con.front(); } size_t size() const //获取有效个数 { return _con.size(); } bool empty() const //判空 { return _con.empty(); } private: Container _con; };
在test.cpp中使用一下我们写的这个queue。记得包含头文件#include "squeue"
void test3() { lyj::queue<int, list<int>> q; q.push(1); q.push(2); q.push(3); }
看着没啥问题。
但是我们给Container传vector类型时,这个测试代码居然也可以。
void test3(){lyj::queue<int, vector<int>> q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);}
vector按理来说不能实现queue,在实现queue的pop部分,vector也没有pop_front(头删)这个接口。代码为什么没报错?
这里就要补充一个知识,按需实例化。
3.3 按需实例化
我们前面的测试代码并没有调用pop这个接口,当我们调用pop这个接口时,就会立马报错。
void test3() { lyj::queue<int, vector<int>> q; q.push(1); q.push(2); q.push(3); q.pop(); //调用pop }
这是因为,类在实例化的时候,不会实例化所有的成员函数,我们用哪些函数,就实例化哪些。
前面没报错,因为我们根本没有调用pop这个成员函数,可以理解为没有触发到这个错误。
编译器对模板检查的时候,只会检查一个大概,明显的语法错误能检查出来,但是不会检查细节,比如说我们在这里调错了函数,用到这个接口时,才会报错。
所以,在类模板实例化时,只会实例化用到的函数,这就是按需实例化。
4.deque
4.1 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queue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。
4.2 deque的简单介绍
我们看deque的成员函数,会发现deque有点像vector和list的结合。
vector支持[],但是vector不直接支持头删尾删。
list支持各种位置插入删除,但是不支持[]。
既然说到这里了,我们也顺便说一下vector和list各自的优缺点
4.2.1 vector和list各自的优缺点
vector:
优点:1.尾插尾删的效率还不错,并且支持高效的下标随机访问。
2.物理空间连续,所以高速缓存利用率高。
缺点:1.空间需要扩容,扩容会带来效率问题和空间的浪费。
2.头部和中间部分的插入删除操作效率低。
list:
优点:1.按需申请释放空间,不需要扩容。
2.可以在任意位置插入删除。
缺点:不支持下标随机访问。
4.2.2 deque的优缺点
deque的具体底层原理在这里就不详细说明了,有兴趣的可以去查阅资料。我们直接来说一下deque的优缺点。
deque:
优点:
1.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)。
2.与vector比较,头插效率高,不需要搬移元素。
3.与list比较,空间利用率比较高。
缺点:
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。
4.2.3 选deque做栈和队列的底层默认容器的原因
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。
结合了 deque 的优点,而完美的避开了其缺陷。
5. STL标准库中对于stack和queue的模拟实现
使用deque时要包含头文件#include <deque>
5.1 stack
代码和原来一样,只是缺省参数换成deque<T>。
#include <iostream> #include <list> #include <vector> #include <deque> using namespace std; namespace lyj { template<class T, class Container = deque<T>> class stack { public: void push(const T& x) //插入 { _con.push_back(x); } void pop() //删除 { _con.pop_back(); } const T& top() const //获取栈顶元素 { return _con.back(); } size_t size() const //获取有效个数 { return _con.size(); } bool empty() const //判空 { return _con.empty(); } private: Container _con; }; }
在test.cpp里测试一下。
void test4() { lyj::stack<int> st; st.push(1); st.push(2); st.push(3); while (!st.empty()) { cout << st.top() << " "; st.pop(); } cout << endl; }
5.2 queue
代码和原来一样,也是缺省参数换成deque<T>。
#include <iostream> #include <list> #include <vector> #include <deque> using namespace std; namespace lyj { template<class T, class Container = deque<T>> class queue { public: void push(const T& x) //队尾插入 { _con.push_back(x); } void pop() //队头删除 { _con.pop_front(); } const T& top() const //获取队尾元素 { return _con.back(); } const T& front() const //获取队头元素 { return _con.front(); } size_t size() const //获取有效个数 { return _con.size(); } bool empty() const //判空 { return _con.empty(); } private: Container _con; }; }
在test.cpp里测试一下。
void test5() { lyj::queue<int> q; q.push(1); q.push(2); q.push(3); while (!q.empty()) { cout << q.front() << " "; q.pop(); } cout << endl; }
以上就是C++使用适配器模式模拟实现栈和队列的详细内容,更多关于C++实现栈和队列的资料请关注脚本之家其它相关文章!
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