隊(duì)列與C++中的queue詳解

隊(duì)列（Queue）

什么是隊(duì)列

隊(duì)列就是一種線性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它與日常生活中排隊(duì)的隊(duì)列相似，即先進(jìn)先出（LIFO, First In First Out)，這點(diǎn)也是它與棧Stack的最大不同之處。它的結(jié)構(gòu)類似于下面的容器：

如上圖所示，隊(duì)列的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)兩端都是開口的容器，一端只負(fù)責(zé)小球（對應(yīng)隊(duì)列中的元素）進(jìn)入，一個(gè)端只負(fù)責(zé)小球彈出，容器內(nèi)部的小球無法跳過前面的小球提前彈出。我們將隊(duì)列的出口端（即隊(duì)列的頭部）叫做隊(duì)頭（front），入口端（即隊(duì)列的末尾）稱為隊(duì)尾（rear）。

與棧類似，隊(duì)列的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可以使用數(shù)組和鏈表來實(shí)現(xiàn)，具體如下圖所示：

隊(duì)列的基本操作和應(yīng)用

隊(duì)列的基本操作與棧類似，主要是分為入隊(duì)（enqueue）和出隊(duì)（dequeue），我們以數(shù)組為例，簡單描述一下具體過程。

1. 入隊(duì)

入隊(duì)就是把新元素放入隊(duì)列中去，由于隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的限制，只允許將新入隊(duì)元素放入隊(duì)尾的位置，然后更新隊(duì)尾的位置，具體過程如下圖所示。

2. 出隊(duì)

出隊(duì)就是把隊(duì)列中的元素移出來，同樣的，隊(duì)列只允許在隊(duì)列的隊(duì)頭這一側(cè)移出元素，即每次移出的元素就是隊(duì)頭對應(yīng)的元素，元素移出后，原對頭元素的后面一個(gè)元素變?yōu)樾碌年?duì)頭，具體過程如下所示：

3. 入隊(duì)出隊(duì)的復(fù)雜度和應(yīng)用

與棧類似，隊(duì)列的入隊(duì)與出隊(duì)只與隊(duì)頭和隊(duì)尾的元素相關(guān)，不涉及其他元素的移動(dòng)，因此隊(duì)列的入隊(duì)和出隊(duì)的時(shí)間復(fù)雜度都是。

隊(duì)列先進(jìn)先出的特性使得其常用于一下場景中：

• 消息隊(duì)列：在分布式系統(tǒng)或異步任務(wù)處理場景中，消息隊(duì)列可以用于解耦任務(wù)的發(fā)布與消費(fèi)，確保任務(wù)能夠穩(wěn)定地進(jìn)行下去。
• 程序調(diào)度：操作系統(tǒng)、多線程程序、并發(fā)網(wǎng)絡(luò)程序等需要協(xié)調(diào)多個(gè)任務(wù)的程序中，通常會(huì)使用隊(duì)列來維護(hù)任務(wù)的執(zhí)行順序，以保證每個(gè)任務(wù)都能夠得到執(zhí)行。
• 廣度優(yōu)先搜索：在圖論、路徑查找等問題中，廣度優(yōu)先搜索算法通常會(huì)使用隊(duì)列來存儲待搜索的節(jié)點(diǎn)，以確保每一層的所有節(jié)點(diǎn)都可以被訪問到。
• 緩存：在許多應(yīng)用中，緩存通常使用隊(duì)列來管理緩存項(xiàng)的過期時(shí)間和更替策略，使得緩存可以高效地使用有限的內(nèi)存資源。

類模板std::queue

std::queue類是C++提供的容器適配器，它提供了特定的函數(shù)集合，實(shí)現(xiàn)了隊(duì)列的基本功能：FIFO的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即在容器的尾端推入元素，在首段彈出元素。std::queue類在頭文件中定義，其函數(shù)聲明如下：

template<
    class T,
    class Container = std::deque< T >
> class queue;

形參T和Container

• T ：存儲的元素類型。
• Container ：用于存儲元素的底層容器。容器類型必須是序列容器，同時(shí)，該容器類型需提供通常語義下的back()、front()、push_back()和pop_front()函數(shù)，滿足該要求的標(biāo)準(zhǔn)容器有std::deque和std::list，其中默認(rèn)使用的容器是std::deque。

成員函數(shù)

1. 元素訪問

• front ：訪問隊(duì)列第一個(gè)元素。其函數(shù)聲明如下：

reference front();
const_reference front() const;

該函數(shù)返回隊(duì)列中首個(gè)元素的引用，實(shí)際上該函數(shù)等效的調(diào)用的就是存儲元素的底層容器（Container）的front()函數(shù)。

• back ：訪問隊(duì)列最后一個(gè)元素。其函數(shù)聲明如下：

reference back();
const_reference back() const;

該函數(shù)返回的是隊(duì)列末尾元素的引用，實(shí)際上該函數(shù)等效的調(diào)用的就是Container的back()函數(shù)。

2. 容量

• empty ：檢查隊(duì)列是否為空。其函數(shù)聲明如下：

bool empty() const; // C++20 前
[[nodiscard]] bool empty() const; //C++20 起

其本質(zhì)上就是檢查Container是否為空，即Container的empty()。如果為空返回true，否則為false。

• size ：返回隊(duì)列中的元素個(gè)數(shù)。其函數(shù)聲明如如下：

size_type size() const;

同樣的，其本質(zhì)還是返回的是Container的元素個(gè)數(shù)，即Container的size()。

3. 隊(duì)列的修改

• push ：向隊(duì)列的尾部插入元素，對應(yīng)的就是入隊(duì)操作。其函數(shù)聲明如下：

void push( const value_type& value );
void push( value_type&& value ); //C++11 起

• emplace ：在隊(duì)列的尾部構(gòu)造元素，對應(yīng)的也是入隊(duì)的操作。其函數(shù)聲明如下：

template< class... Args >
void emplace( Args&&... args );// C++11 起  C++17 前
template< class... Args >
decltype(auto) emplace( Args&&... args );// C++17 起

該函數(shù)就是將新元素推到隊(duì)列的尾部，其與push不同的是：該函數(shù)是原地構(gòu)造元素，即不進(jìn)行移動(dòng)或復(fù)制操作，使用參數(shù)直接原地調(diào)用元素的構(gòu)造函數(shù)，使得其效率高于push。

• pop ：刪除隊(duì)列首個(gè)元素，對應(yīng)的就是出隊(duì)操作。其函數(shù)聲明如下：

void pop();

該函數(shù)移除隊(duì)列前端的元素，等效的調(diào)用了Container的pop_front()函數(shù)。

• swap ：交換兩個(gè)容器的內(nèi)容。其函數(shù)聲明如下：

void swap( queue& other ) noexcept(); //C++11 起

其本質(zhì)上是交換兩個(gè)Container中的內(nèi)容。

用法示例

#include < iostream >
#include < queue >
using namespace std;

void showQueue(string queueName, queue< int >& q) {
    cout < < "隊(duì)列" < < queueName < < "中元素的數(shù)量, 即size() = " < < q.size()
        < < endl;
    if (!q.empty()) {
        cout < < "此時(shí), 隊(duì)列" < < queueName < < "不為空,即empty() = false" < < endl;
        cout < < "隊(duì)列首位元素，即front() =  " < < q.front() < < endl;
        cout < < "隊(duì)列首位元素，即back() =  " < < q.back() < < endl;
    } else {
        cout < < "此時(shí), 隊(duì)列" < < queueName < < "為空,即empty() = true" < < endl;
    }
}

int main() {
    queue< int > q;

    // push()
    q.push(1);
    q.push(2);
    q.push(3);

    cout < < "---按順push元素1、2、3后:n" < < endl;
    showQueue("q", q);

    q.pop();  // 彈出隊(duì)頭元素
    cout < < "n---彈出隊(duì)頭元素3, 即pop()后:n" < < endl;
    showQueue("q", q);

    q.pop();
    cout < < "n---彈出隊(duì)頭元素2, 即pop()后:n" < < endl;
    showQueue("q", q);

    q.pop();
    cout < < "n---彈出隊(duì)頭元素1, 即pop()后:n" < < endl;
    showQueue("q", q);

    queue< int > q1;
    q1.emplace(1);
    q1.emplace(2);
    q1.emplace(3);

    cout < < "n-----------隊(duì)列q和q1交換前----------" < < endl;
    cout < < "nq的狀態(tài): " < < endl;
    showQueue("q", q);

    cout < < "nq1的狀態(tài): " < < endl;
    showQueue("q1", q1);

    q1.swap(q);  // s和s1進(jìn)行交換

    cout < < "n-----------隊(duì)列q和q1交換后----------n" < < endl;
    showQueue("q", q);

    cout < < "nq1的狀態(tài): " < < endl;
    showQueue("q1", q1);

    return 0;
}

輸出結(jié)果：

---按順push元素1、2、3后:

隊(duì)列q中元素的數(shù)量, 即size() = 3
此時(shí), 隊(duì)列q不為空,即empty() = false
隊(duì)列首位元素，即front() =  1
隊(duì)列首位元素，即back() =  3

---彈出隊(duì)頭元素3, 即pop()后:

隊(duì)列q中元素的數(shù)量, 即size() = 2
此時(shí), 隊(duì)列q不為空,即empty() = false
隊(duì)列首位元素，即front() =  2
隊(duì)列首位元素，即back() =  3

---彈出隊(duì)頭元素2, 即pop()后:

隊(duì)列q中元素的數(shù)量, 即size() = 1
此時(shí), 隊(duì)列q不為空,即empty() = false
隊(duì)列首位元素，即front() =  3
隊(duì)列首位元素，即back() =  3

---彈出隊(duì)頭元素1, 即pop()后:

隊(duì)列q中元素的數(shù)量, 即size() = 0
此時(shí), 隊(duì)列q為空,即empty() = true

-----------隊(duì)列q和q1交換前----------

q的狀態(tài): 
隊(duì)列q中元素的數(shù)量, 即size() = 0
此時(shí), 隊(duì)列q為空,即empty() = true

q1的狀態(tài): 
隊(duì)列q1中元素的數(shù)量, 即size() = 3
此時(shí), 隊(duì)列q1不為空,即empty() = false
隊(duì)列首位元素，即front() =  1
隊(duì)列首位元素，即back() =  3

-----------隊(duì)列q和q1交換后----------

隊(duì)列q中元素的數(shù)量, 即size() = 3
此時(shí), 隊(duì)列q不為空,即empty() = false
隊(duì)列首位元素，即front() =  1
隊(duì)列首位元素，即back() =  3

q1的狀態(tài): 
隊(duì)列q1中元素的數(shù)量, 即size() = 0
此時(shí), 隊(duì)列q1為空,即empty() = true