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作者 | 梁唐

出品 | 公众号：Coder梁（ID：Coder_LT）

(相关资料图)

大家好，我是梁唐。

今天我们进入下一个章节，来看看栈和队列。

栈和队列是我们日常使用频率非常高的数据结构，广泛应用在各种问题和场景当中。并且它们的原理相对来说比较简单，并且有一定的相似之处，所以合并到一起来介绍。

栈

栈，英文是stack。这里我个人感觉只是信雅达的翻译，大家不能机械地联想栈道之类的东西。毕竟栈道虽然窄也是一个通道，两头都可以进出。而数据结构中的栈，它的定义是只有一头可以进出的数据结构。大家结合下图不难想明白，既然只有一头可以进出，那么先进栈的元素想要出栈就只能等它之后的所有元素都出栈才行。

这就是为什么我们说栈是先进后出的，这里指的就是元素的进出顺序。

栈的原理本身并不复杂，只有这一个特性。所以在实现的时候也没有太多的限制，只需要保证只有一头可以进出元素即可。常见的有基于deque,vector，list等，这些数据结构的更底层是数组和链表。

由于标准的栈结构只提供push，pop等接口，不提供迭代器。所以我们不能遍历栈中的元素，只能通过弹出的方式访问。因此栈不被视作是容器，而是container adapter（容器适配器）。

这里我建议可以直接阅读STL的源码，虽然使用了模板类以及一些宏，但整体上不影响我们阅读逻辑。

废话不多说，我们直接上源码：

templateclassstack{//requirements:__STL_CLASS_REQUIRES(_Tp,_Assignable);__STL_CLASS_REQUIRES(_Sequence,_BackInsertionSequence);typedeftypename_Sequence::value_type_Sequence_value_type;__STL_CLASS_REQUIRES_SAME_TYPE(_Tp,_Sequence_value_type);//关系运算符重载，定义为友元函数，是必要的#ifdef__STL_MEMBER_TEMPLATES//定义了成员模板函数宏templatefriendbooloperator==(conststack<_Tp1,_Seq1>&,conststack<_Tp1,_Seq1>&);templatefriendbooloperator<(conststack<_Tp1,_Seq1>&,conststack<_Tp1,_Seq1>&);#else/*__STL_MEMBER_TEMPLATES*/friendbool__STD_QUALIFIERoperator==__STL_NULL_TMPL_ARGS(conststack&,conststack&);friendbool__STD_QUALIFIERoperator<__STL_NULL_TMPL_ARGS(conststack&,conststack&);#endif/*__STL_MEMBER_TEMPLATES*/public://型别定义typedeftypename_Sequence::value_typevalue_type;typedeftypename_Sequence::size_typesize_type;typedef_Sequencecontainer_type;typedeftypename_Sequence::referencereference;typedeftypename_Sequence::const_referenceconst_reference;protected:_Sequencec;//底层序列容器成员变量public:stack():c(){}//构造器explicitstack(const_Sequence&__s):c(__s){}boolempty()const{returnc.empty();}//判断栈是否为空size_typesize()const{returnc.size();}//返回栈中元素个数referencetop(){returnc.back();}//访问栈顶元素const_referencetop()const{returnc.back();}//访问栈顶元素，const函数voidpush(constvalue_type&__x){c.push_back(__x);}//压栈voidpop(){c.pop_back();}//出栈};templatebooloperator==(conststack<_Tp,_Seq>&__x,conststack<_Tp,_Seq>&__y)//重载==运算符{return__x.c==__y.c;}templatebooloperator<(conststack<_Tp,_Seq>&__x,conststack<_Tp,_Seq>&__y)//重载<运算符{return__x.c<__y.c;}#ifdef__STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER//定义了类成员函数到非成员函数传递宏templatebooloperator!=(conststack<_Tp,_Seq>&__x,conststack<_Tp,_Seq>&__y)//重载!=运算符{return!(__x==__y);}templatebooloperator>(conststack<_Tp,_Seq>&__x,conststack<_Tp,_Seq>&__y){return__y<__x;}templatebooloperator<=(conststack<_Tp,_Seq>&__x,conststack<_Tp,_Seq>&__y){return!(__y<__x);}templatebooloperator>=(conststack<_Tp,_Seq>&__x,conststack<_Tp,_Seq>&__y){return!(__x<__y);}#endif/*__STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDER*/

这一大段代码主要都是声明以及运算符的重载，真正的核心逻辑只有中间的一小段。我把它截出来，就很明显了。

可以看到像是size(),top(), push(), pop()这些函数都是直接调用的模板类实现的，而不是另外实现的。常用的C++ STL的stack是基于deque实现的，不论是deque还是vector都提供push_back(), pop_back(), back(), size()等函数，因此我们可以直接调用，这也是面向对象的优势之一。

队列

队列，即queue。它和现实中的队列比较类似，体现在一头进一头出。和栈一样，队列这个数据结构也基本只有这一个特性。我们可以参考一下下图，不过下图是基于链表实现的，队列的实现方式并不仅仅只有链表，但的确使用链表更加适合。

普通队列只能在队尾插入元素，队首弹出元素。所以先进入队列的元素也先出队列，这被称作先进先出。还有一种队列，队列的两端都可以插入、弹出元素，这种被称为双端队列，即deque。

C++中STL的队列基于list即链表实现，因为链表比较方便自由删除头部的元素。但实际上通过使用循环数组等方式，基于vector或者是array也是可以的，只不过实现上会稍微麻烦一些。

我们来看下STL中的源码：

template)>//默认以deque实现classqueue;templateclassqueue{//requirements:__STL_CLASS_REQUIRES(_Tp,_Assignable);__STL_CLASS_REQUIRES(_Sequence,_FrontInsertionSequence);__STL_CLASS_REQUIRES(_Sequence,_BackInsertionSequence);typedeftypename_Sequence::value_type_Sequence_value_type;__STL_CLASS_REQUIRES_SAME_TYPE(_Tp,_Sequence_value_type);#ifdef__STL_MEMBER_TEMPLATEStemplatefriendbooloperator==(constqueue<_Tp1,_Seq1>&,constqueue<_Tp1,_Seq1>&);templatefriendbooloperator<(constqueue<_Tp1,_Seq1>&,constqueue<_Tp1,_Seq1>&);#else/*__STL_MEMBER_TEMPLATES*/friendbool__STD_QUALIFIERoperator==__STL_NULL_TMPL_ARGS(constqueue&,constqueue&);friendbool__STD_QUALIFIERoperator<__STL_NULL_TMPL_ARGS(constqueue&,constqueue&);#endif/*__STL_MEMBER_TEMPLATES*/public:typedeftypename_Sequence::value_typevalue_type;typedeftypename_Sequence::size_typesize_type;typedef_Sequencecontainer_type;typedeftypename_Sequence::referencereference;typedeftypename_Sequence::const_referenceconst_reference;protected:_Sequencec;//底层容器public:queue():c(){}explicitqueue(const_Sequence&__c):c(__c){}//以下完全利用_Sequencec的操作，完成queue的操作boolempty()const{returnc.empty();}size_typesize()const{returnc.size();}referencefront(){returnc.front();}const_referencefront()const{returnc.front();}referenceback(){returnc.back();}const_referenceback()const{returnc.back();}voidpush(constvalue_type&__x){c.push_back(__x);}voidpop(){c.pop_front();}};templatebooloperator==(constqueue<_Tp,_Sequence>&__x,constqueue<_Tp,_Sequence>&__y){return__x.c==__y.c;}templatebooloperator<(constqueue<_Tp,_Sequence>&__x,constqueue<_Tp,_Sequence>&__y){return__x.c<__y.c;}#ifdef__STL_FUNCTION_TMPL_PARTIAL_ORDERtemplatebooloperator!=(constqueue<_Tp,_Sequence>&__x,constqueue<_Tp,_Sequence>&__y){return!(__x==__y);}templatebooloperator>(constqueue<_Tp,_Sequence>&__x,constqueue<_Tp,_Sequence>&__y){return__y<__x;}templatebooloperator<=(constqueue<_Tp,_Sequence>&__x,constqueue<_Tp,_Sequence>&__y){return!(__y<__x);}templatebooloperator>=(constqueue<_Tp,_Sequence>&__x,constqueue<_Tp,_Sequence>&__y){return!(__x<__y);}

和栈一样，这段代码当中大部分是模板类的声明以及运算符的重载，真正核心的代码只有中间的一小部分：

我们对照一下栈的代码，会发现这几个函数的实现几乎是完全一样的，唯一的一点小差异在于这里的pop，调用的是c.pop_front()，而栈中调用的是c.pop_back()。从字面上我们就能感受到，一个是从头部弹出元素，一个是从尾部，这也是队列和栈逻辑上的差异所在。

和栈一样，队列同样不提供迭代器接口，不允许我们直接遍历队列中的元素。也因此，队列同样是容器适配器，而非容器。

这两个数据结构在算法当中的应用非常广泛，但很多书本上的介绍却很浅薄，我个人认为这不太合适。作为学习者，我们不仅要知其然，更要知其所以然，了解原理也要了解细节，这样在使用的时候才能更加得心应手，体会和认知才更深刻。

关于栈和队列就聊到这里，感谢大家的阅读，如果喜欢的话，恳请帮忙转发扩散。算法学习之旅，与你同行。

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