手写 std::stack

用容器适配器限制接口，实现后进先出语义并理解组合优于重复实现。

本系列代码使用 C++20 和 oc::handmade 命名空间，目标是解释实现机制、复杂度和工程边界，不是替代标准库。普通容器与缓存核心不内置互斥锁；这不代表 lock-free。

一、学习目标

实现 LIFO 适配器
转发异常与复杂度保证
理解适配器不暴露迭代器的原因

二、前置条件

完成 vector 或 deque 篇，理解模板默认参数。

Linux/macOS：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
cmake --build build -j
ctest --test-dir build --output-on-failure

Windows PowerShell：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
cmake --build build --config Debug
ctest --test-dir build -C Debug --output-on-failure

三、问题与设计选择

stack<T, Container> 只保存底层容器，默认使用手写 deque；push/emplace/pop/top 映射到底层 back 操作。

这里刻意保留一条边界：教学实现覆盖构造、复制移动、核心修改、查找和迭代契约，但不复刻标准库全部重载、ABI、constexpr、异构查找或节点句柄。

四、内存布局与核心不变量

栈顶始终等于底层容器的最后一个元素；stack 不单独维护 size。

每个修改操作都按“准备资源 → 构造新状态 → 提交连接或指针 → 清理旧状态”的顺序设计。提交点之前发生异常，应保持原对象可继续使用；无法提供强保证时，会在接口说明中明确基本保证。

五、核心实现

template<class T, class Container = deque<T>>
class stack {
    Container data_;
public:
    bool empty() const noexcept { return data_.empty(); }
    T& top() { return data_.back(); }
    void push(const T& value) { data_.push_back(value); }
    void push(T&& value) { data_.push_back(std::move(value)); }
    void pop() { data_.pop_back(); }
};

上面先聚焦最容易写错的核心步骤；若本篇对应一个独立组件，下一节给出统一工程中的完整教学实现。代码没有放入 std 命名空间，避免未定义行为和名称冲突。

六、完整教学实现

下面是统一工程中经过 GCC、Clang、GoogleTest 和 Sanitizer 验证的完整组件。它依赖前序文章已经实现的公共类型以及头文件中的标准库 #include。

namespace oc::handmade {

template<class T, class Container = deque<T>>
class stack {
    Container data_;
public:
    bool empty() const noexcept { return data_.empty(); }
    std::size_t size() const noexcept { return data_.size(); }
    T& top() { return data_.back(); }
    const T& top() const { return data_.back(); }
    void push(const T& value) { data_.push_back(value); }
    void push(T&& value) { data_.push_back(std::move(value)); }
    template<class... Args>
    T& emplace(Args&&... args) { return data_.emplace_back(std::forward<Args>(args)...); }
    void pop() { data_.pop_back(); }
};

}  // namespace oc::handmade

生产级标准库还要处理完整 allocator 传播、全部重载、ABI、调试迭代器和平台特化；这里保留的是能够独立推导核心数据结构的教学边界。

七、使用示例与输出

预期输出或状态：

push 1、2、3 后连续 top/pop 的输出为 3 2 1。

示例必须在文章对应的测试目标中实际编译。涉及顺序的输出只依赖接口明确承诺的顺序；无序容器不会把某次桶顺序写成稳定结果。

八、复杂度与失效规则

操作	复杂度	说明
push/emplace	取决于 push_back	默认摊还 O(1)
pop	O(1)	空栈为前置条件
top	O(1)	返回最后元素
size	O(1)	转发

复杂度中的 O(1) 若标记为“平均”或“摊还”，不能在面试中省略限定词。任何重新分配、节点删除、rehash 或缓存淘汰都必须单独说明迭代器、引用与指针是否失效。

九、异常安全与资源管理

获取资源后立即交给 RAII 对象或明确记录已构造数量。
用户类型构造、复制、移动、比较器和哈希器都可能抛异常。
只有在所有后续步骤不会失败时才修改不可回滚的链接。
析构、释放和关闭路径不得抛异常。
并发包装通过回调在锁内访问，避免返回保护对象的裸引用。

十、常见错误

1. pop 返回引用导致对象已销毁

pop 返回引用导致对象已销毁会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

2. 重复保存 size 造成状态分裂

重复保存 size 造成状态分裂会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

3. 无条件给所有成员标 noexcept

无条件给所有成员标 noexcept会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

十一、面试追问

为什么标准 stack::pop 不返回元素？
什么底层容器适合 stack？
适配器为何不提供 begin/end？

回答时先说数据结构不变量，再给复杂度，最后说明异常、迭代器或并发边界，通常比背诵结论更有说服力。

十二、练习与自测

增加 emplace
用 vector 作为底层容器
实现支持最小值查询的扩展栈

自测标准：能够不看代码画出内存或节点关系，解释一次成功操作和一次失败回滚，并写出至少一个会击穿错误实现的测试。

十三、官方资料与延伸阅读

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