C++ 标准库 stack

关键要点

<stack> 是 C++ 标准库中的一个容器适配器，研究表明它实现了后进先出（LIFO）的数据结构。
证据显示，它基于底层的容器（如 std::deque 或 std::vector）来存储元素，默认使用 std::deque。
它支持基本操作：push（压入）、pop（弹出）、top（获取栈顶）、empty（检查是否为空）、size（获取大小），这些操作似乎是其核心功能。
不支持直接访问除栈顶元素外的其他元素，这似乎是其设计限制。
可以指定不同的底层容器，增加了灵活性。
常用于需要 LIFO 顺序的场景，如函数调用栈或撤销操作。

简介

<stack> 是 C++ 标准库中的一个容器适配器，提供了一个栈的接口，实现了后进先出（LIFO）的数据结构。换句话说，最后进入栈的元素最先被移除，类似于堆叠盘子。它的底层容器默认是 std::deque，但也可以指定为其他容器如 std::vector 或 std::list，这让它在不同场景下有一定的灵活性。

使用方法

使用 <stack> 需要包含头文件 <stack>。以下是一些基本操作的例子：

创建一个栈：std::stack<int> myStack;
压入元素：myStack.push(10);
获取栈顶元素：std::cout << myStack.top();
弹出栈顶元素：myStack.pop();
检查是否为空：if (myStack.empty()) ...
获取栈大小：std::cout << myStack.size();

这些操作简单易用，适合需要 LIFO 顺序的场景。

详细报告

引言

C++ 标准库中的 <stack> 是双端队列（double-ended queue）的实现，它是 C++ STL（标准模板库）的一部分。<stack> 支持在队列的两端（头部和尾部）高效地进行插入和删除操作，同时也支持随机访问。以下是对 <stack> 的详细讲解，包括其主要特点、使用方法以及与其他容器的比较，旨在为用户提供全面的中文讲解。

背景与定义

<stack> 是 C++ 标准库中的序列容器，其模板定义在头文件 <stack> 中。它基于分段的连续空间实现，允许在逻辑上表现为连续的线性结构，但实际内存中各段空间可能不连续。<stack> 的全称是 double-ended queue，翻译过来是双端队列，也有人称之为双向队列，这两个名称都可以表示该数据结构。

主要特点

以下是 <stack> 的核心特点，总结自多个权威资源：

结构：由一段一段的固定大小的连续空间构成，整体逻辑上表现为连续，但内存中不保证连续性。
双端操作高效：在头部和尾部插入或删除元素的时间复杂度为 O(1)，如 push_front、push_back、pop_front、pop_back。
随机访问支持：支持通过索引或迭代器快速访问任意位置的元素，时间复杂度为 O(1)，类似于数组。
动态大小：可以根据需要动态调整大小，无需预先指定容量，自动扩展或收缩。
内存管理：相比 std::vector，扩展时不需要移动已有元素，因此在某些场景下更高效；但不像 std::vector 那样保证连续存储。
迭代器和引用稳定性：在头部或尾部插入或删除元素时，迭代器和引用的有效性保持不变；但在中间位置的操作（如 insert、erase）可能会使迭代器和引用失效。

以下表格总结了 <stack> 的主要特性对比：

特性	描述
内存使用	非连续存储，分段管理，扩展时无需移动元素
头尾操作效率	O(1)，高效
随机访问效率	O(1)，支持索引访问
中间操作效率	插入/删除效率较低，需移动元素
迭代器稳定性	头尾操作不影响迭代器，中部操作可能失效

使用方法

<stack> 的使用方法包括创建实例和调用各种成员函数。以下是常见创建方式：

空队列：std::stack<int> d;
包含 N 个默认值元素：std::stack<int> d(10); // 10 个元素，默认值为 0（对于 int 类型）
包含 N 个指定值元素：std::stack<int> d(10, 5); // 10 个元素，每个值为 5
拷贝构造：std::stack<int> d2(d1); // 从现有 stack 拷贝
从数组创建：int a[] = {1,2,3,4,5}; std::stack<int> d(a, a+5); // 从数组范围初始化

关键成员函数

<stack> 提供了多种成员函数，涵盖元素访问、修改和算法支持。以下是部分重要函数的说明：

函数名	描述
`front()`	返回第一个元素的引用
`back()`	返回最后一个元素的引用
`push_front()`	在列表开头添加元素
`push_back()`	在列表尾部添加元素
`pop_front()`	移除第一个元素
`pop_back()`	移除最后一个元素
`insert()`	在指定位置插入元素
`erase()`	删除指定位置的元素
`empty()`	检查队列是否为空，返回布尔值
`size()`	返回当前元素数量
`clear()`	清空队列
`at()`	通过索引访问元素，支持越界检查
`operator[]`	通过索引访问元素，无越界检查

例如，使用 push_front 和 push_back 可以分别在头部和尾部添加元素：

示例：d.push_front(0); d.push_back(2); // 结果为 {0, …, 2}

insert 用于在指定位置插入元素，例如：

示例：d.insert(d.begin() + 1, 1); // 在第二个位置插入 1

遍历方法

<stack> 支持多种遍历方式：

迭代器：使用 begin() 和 end() 遍历整个队列。
- 示例：for (auto it = d.begin(); it != d.end(); ++it) { /* 操作 */ }
索引：使用 operator[] 或 at() 通过索引访问。
- 示例：for (size_t i = 0; i < d.size(); ++i) { /* 操作 */ }
范围 for 循环：C++11 及以上支持。
- 示例：for (const auto& elem : d) { /* 操作 */ }

示例代码

以下是一个简单的示例，展示了 <stack> 的基本操作：

#include <stack>
#include <iostream>

int main() {
    std::stack<int> d;

    // 插入元素
    d.push_back(1);
    d.push_front(0);
    d.push_back(2);

    // 访问元素
    std::cout << "Front: " << d.front() << std::endl;
    std::cout << "Back: " << d.back() << std::endl;

    // 遍历元素
    for (const auto& elem : d) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 删除元素
    d.pop_front();
    d.pop_back();

    // 检查大小
    std::cout << "Size: " << d.size() << std::endl;

    return 0;
}

与其他容器的比较

<stack> 与其他容器（如 std::vector 和 std::list）有显著差异：

与 std::vector：
- 相似之处：都支持随机访问和动态大小。
- 区别：std::vector 的元素在连续内存中，适合需要连续存储或频繁中间操作的场景；<stack> 支持高效的头部操作，但不保证连续存储。
- 选择：如果需要频繁在头部和尾部操作，<stack> 更合适；否则，std::vector 通常更高效。
与 std::list：
- <stack> 支持随机访问，但中间插入和删除效率较低（需要移动元素）。
- std::list 不支持随机访问，但中间插入和删除更高效（双向链表）。
- 选择：如果需要频繁中间操作，std::list 更合适；如果需要随机访问，<stack> 更合适。

研究表明，当需要频繁头尾操作且需要随机访问时，<stack> 是更优的选择，尤其在内存敏感的场景下。

适用场景

<stack> 适合以下场景：

需要频繁在队列两端插入或删除元素，例如某些算法实现或队列管理。
需要快速访问任意位置元素，同时又需要头尾操作的高效性。
对比 std::vector，当连续内存不是必须时，<stack> 的分块存储可能更适合。

例如，在实现一个需要快速头尾操作的队列时，<stack> 可能比 vector 或 deque 更合适，但如果需要按索引访问元素，则应选择其他容器。

结论

<stack> 是 C++ STL 中一个功能强大的容器，特别适合需要频繁头尾操作且需要随机访问的场景。尽管它不支持像 std::vector 那样的连续存储，但其设计目标是提供高效的双端操作和随机访问，广泛应用于算法实现和其他需要线性遍历的场景。

参考资料

本报告基于以下资源整理，供进一步阅读：

[CSDN 博客: C++/C++11中std::stack的使用]([invalid url, do not cite])
[菜鸟教程: C++ 标准库 ]([invalid url, do not cite])
[CSDN 博客: C++中stack的用法（超详细，入门必看）]([invalid url, do not cite])
[腾讯云开发者社区: C++(STL):16—stack之常规用法]([invalid url, do not cite])

关键要点

简介

使用方法

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引言

背景与定义

主要特点

使用方法

关键成员函数

遍历方法

示例代码

与其他容器的比较

适用场景

结论

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