文章目录
- 队列（Queue）
- 什么是队列
- 队列的基本操作和应用
- 1. 入队
- 2. 出队
- 3. 入队出队的复杂度和应用
- 类模板std::queue
- 形参T和Container
- 成员函数
- 1. 元素访问
- 2. 容量
- 3. 队列的修改
- 用法示例
队列（Queue）
什么是队列
队列就是一种线性的数据结构，它与日常生活中排队的队列相似，即先进先出（LIFO, First In First Out)，这点也是它与栈（Stack）的最大不同之处。它的结构类似于下面的容器：
如上图所示，队列的结构就像一个两端都是开口的容器，一端只负责小球（对应队列中的元素）进入，一个端只负责小球弹出，容器内部的小球无法跳过前面的小球提前弹出。我们将队列的出口端（即队列的头部）叫做队头（front），入口端（即队列的末尾）称为队尾（rear）。
与栈类似，队列的底层数据结构也可以使用数组和链表来实现，具体如下图所示：
队列的基本操作和应用
队列的基本操作与栈类似，主要是分为入队（enqueue）和出队（dequeue），我们以数组为例，简单描述一下具体过程。
1. 入队
入队就是把新元素放入队列中去，由于队列的数据结构的限制，只允许将新入队元素放入队尾的位置，然后更新队尾的位置，具体过程如下图所示。
2. 出队
出队就是把队列中的元素移出来，同样的，队列只允许在队列的队头这一侧移出元素，即每次移出的元素就是队头对应的元素，元素移出后，原对头元素的后面一个元素变为新的队头，具体过程如下所示：
3. 入队出队的复杂度和应用
与栈类似，队列的入队与出队只与队头和队尾的元素相关，不涉及其他元素的移动，因此队列的入队和出队的时间复杂度都是 O ( 1 ) O(1) O(1)。
队列先进先出的特性使得其常用于一下场景中：
- 消息队列：在分布式系统或异步任务处理场景中，消息队列可以用于解耦任务的发布与消费，确保任务能够稳定地进行下去。
- 程序调度：操作系统、多线程程序、并发网络程序等需要协调多个任务的程序中，通常会使用队列来维护任务的执行顺序，以保证每个任务都能够得到执行。
- 广度优先搜索：在图论、路径查找等问题中，广度优先搜索算法通常会使用队列来存储待搜索的节点，以确保每一层的所有节点都可以被访问到。
- 缓存：在许多应用中，缓存通常使用队列来管理缓存项的过期时间和更替策略，使得缓存可以高效地使用有限的内存资源。
类模板std::queue
std::queue类是C++提供的容器适配器，它提供了特定的函数集合，实现了队列的基本功能：FIFO的数据结构，即在容器的尾端推入元素，在首段弹出元素。std::queue类在头文件<queue>中定义，其函数声明如下：
template<
class T,
class Container = std::deque<T>
> class queue;
形参T和Container
- T：存储的元素类型。
- Container：用于存储元素的底层容器。容器类型必须是序列容器，同时，该容器类型需提供通常语义下的back()、front()、push_back()和pop_front()函数，满足该要求的标准容器有std::deque和std::list，其中默认使用的容器是std::deque。
成员函数
1. 元素访问
-
front：访问队列第一个元素。其函数声明如下：
reference front(); const_reference front() const;该函数返回队列中首个元素的引用，实际上该函数等效的调用的就是存储元素的底层容器（Container）的front()函数。
-
back：访问队列最后一个元素。其函数声明如下：
reference back(); const_reference back() const;该函数返回的是队列末尾元素的引用，实际上该函数等效的调用的就是Container的back()函数。
2. 容量
-
empty：检查队列是否为空。其函数声明如下：
bool empty() const; // C++20 前 [[nodiscard]] bool empty() const; //C++20 起其本质上就是检查Container是否为空，即Container的empty()。如果为空返回true，否则为false。
-
size：返回队列中的元素个数。其函数声明如如下：
size_type size() const;同样的，其本质还是返回的是Container的元素个数，即Container的size()。
3. 队列的修改
-
push：向队列的尾部插入元素，对应的就是入队操作。其函数声明如下：
void push( const value_type& value ); void push( value_type&& value ); //C++11 起 -
emplace：在队列的尾部构造元素，对应的也是入队的操作。其函数声明如下：
template< class... Args > void emplace( Args&&... args );// C++11 起 C++17 前 template< class... Args > decltype(auto) emplace( Args&&... args );// C++17 起该函数就是将新元素推到队列的尾部，其与push不同的是：该函数是原地构造元素，即不进行移动或复制操作，使用参数直接原地调用元素的构造函数，使得其效率高于push。
-
pop：删除队列首个元素，对应的就是出队操作。其函数声明如下：
void pop();该函数移除队列前端的元素，等效的调用了Container的pop_front()函数。
-
swap：交换两个容器的内容。其函数声明如下：
void swap( queue& other ) noexcept(); //C++11 起其本质上是交换两个Container中的内容。
用法示例
#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;
void showQueue(string queueName, queue<int>& q) {
cout << "队列" << queueName << "中元素的数量, 即size() = " << q.size()
<< endl;
if (!q.empty()) {
cout << "此时, 队列" << queueName << "不为空,即empty() = false" << endl;
cout << "队列首位元素，即front() = " << q.front() << endl;
cout << "队列首位元素，即back() = " << q.back() << endl;
} else {
cout << "此时, 队列" << queueName << "为空,即empty() = true" << endl;
}
}
int main() {
queue<int> q;
// push()
q.push(1);
q.push(2);
q.push(3);
cout << "---按顺push元素1、2、3后:\n" << endl;
showQueue("q", q);
q.pop(); // 弹出队头元素
cout << "\n---弹出队头元素3, 即pop()后:\n" << endl;
showQueue("q", q);
q.pop();
cout << "\n---弹出队头元素2, 即pop()后:\n" << endl;
showQueue("q", q);
q.pop();
cout << "\n---弹出队头元素1, 即pop()后:\n" << endl;
showQueue("q", q);
queue<int> q1;
q1.emplace(1);
q1.emplace(2);
q1.emplace(3);
cout << "\n-----------队列q和q1交换前----------" << endl;
cout << "\nq的状态: " << endl;
showQueue("q", q);
cout << "\nq1的状态: " << endl;
showQueue("q1", q1);
q1.swap(q); // s和s1进行交换
cout << "\n-----------队列q和q1交换后----------\n" << endl;
showQueue("q", q);
cout << "\nq1的状态: " << endl;
showQueue("q1", q1);
return 0;
}
输出结果：
---按顺push元素1、2、3后:
队列q中元素的数量, 即size() = 3
此时, 队列q不为空,即empty() = false
队列首位元素，即front() = 1
队列首位元素，即back() = 3
---弹出队头元素3, 即pop()后:
队列q中元素的数量, 即size() = 2
此时, 队列q不为空,即empty() = false
队列首位元素，即front() = 2
队列首位元素，即back() = 3
---弹出队头元素2, 即pop()后:
队列q中元素的数量, 即size() = 1
此时, 队列q不为空,即empty() = false
队列首位元素，即front() = 3
队列首位元素，即back() = 3
---弹出队头元素1, 即pop()后:
队列q中元素的数量, 即size() = 0
此时, 队列q为空,即empty() = true
-----------队列q和q1交换前----------
q的状态:
队列q中元素的数量, 即size() = 0
此时, 队列q为空,即empty() = true
q1的状态:
队列q1中元素的数量, 即size() = 3
此时, 队列q1不为空,即empty() = false
队列首位元素，即front() = 1
队列首位元素，即back() = 3
-----------队列q和q1交换后----------
队列q中元素的数量, 即size() = 3
此时, 队列q不为空,即empty() = false
队列首位元素，即front() = 1
队列首位元素，即back() = 3
q1的状态:
队列q1中元素的数量, 即size() = 0
此时, 队列q1为空,即empty() = true
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