【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

前言：

在上期博文中我带大家对stack进行深入的学习，本期我将带领学习的是关于 queue的基本知识，并且还将给大家介绍并实现 priority_queue。接下来，让我们正式本期的内容。

（一）queue的基本介绍

（二）基本使用

（三）模拟实现

（四）priority_queue的基本介绍

（五）基本使用

（六）priority_queue的模拟实现

（六）deque的简单介绍(了解)

1、deque的原理介绍

2、deque的缺陷

（七）deque作为stack和queue的底层默认容器

1、分析

2、deque的优势

3、原因

总结

（一）queue的基本介绍

文档链接：queue的文档介绍

💨 queue是一个容器适配器，它是基于deque或者list实现的。queue的特点是先进先出（FIFO）

底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作:

empty：检测队列是否为空
size：返回队列中有效元素的个数
front：返回队头元素的引用
back：返回队尾元素的引用
push_back：在队列尾部入队列
pop_front：在队列头部出队列

标准容器类deque和list满足了这些要求。默认情况下，如果没有为queue实例化指定容器类，则使用标准容器deque

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

（二）基本使用

queue的主要的接口函数大概就是以下这几个，我们也将围绕这几个接口来模拟实现。

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

（三）模拟实现

代码如下：

#pragma once
namespace zp
{
	template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			return _qq.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			if (!_qq.empty())
			{
				return _qq.pop_front();
			}
		}

		const T& front()
		{
			return _qq.front();
		}

		const T& back()
		{
			return _qq.back();
		}

		bool empty()
		{
			return _qq.empty();
		}

		size_t size()
		{
			return _qq.size();
		}

	private:
		Container _qq;
	};

	void test_queue_1()
	{
		queue<int> q;
		//queue<int, list<int>>q;
		//queue<int, vector<int>>q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);
		q.push(5);


		//队首元素
		if ((!q.empty()))
		{
			cout << q.front() << " "<<endl;
		}
	
		q.pop();
		cout << q.front() << endl;

		// 检查队列是否为空
		if (q.empty())
		{
			cout << "Stack is empty" << endl;
		}
		else
		{
			cout << "queue is not empty" << endl;
		}

		// 获取队列的大小
		cout << "queue size is " << q.size() << endl;

		//输出队列元素
		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

（四）priority_queue的基本介绍

文档链接：priority_queue的文档介绍

priority_queue是一个容器适配器，它是基于vector实现的，默认情况下是按照元素大小排序的（大根堆）。可以通过指定比较函数改变排序方式。

底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问，并支持以下操作：

push()：元素入队
pop()：元素出队
top()：返回堆顶元素
empty()：判断堆是否为空
size()：返回堆中元素数量

💨 大家如果想了解更多，可以借助文档仔细琢磨！！！

（五）基本使用

优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。

基本使用跟上面的queue是大同小异的，我们直接模拟实现即可。

⚔️ 注意：默认情况下priority_queue是大堆。⚔️

（六）priority_queue的模拟实现

代码如下：

#pragma once
namespace zp
{
    template<class T, class Compare = less<T>>
    class priority_queue 
    {
    public:
        void push(const T& val) 
        {
            _qq.push_back(val);
            push_heap(_qq.begin(), _qq.end(), _cmp);
        }

        void pop() 
        {
           pop_heap(_qq.begin(), _qq.end(), _cmp);
           _qq.pop_back();
        }

        const T& top() const 
        {
            return _qq.front();
        }

        bool empty() const 
        {
            return _qq.empty();
        }

        size_t size() const 
        {
            return _qq.size();
        }

    private:
        vector<T> _qq;
        Compare _cmp;
    };

    void test_priority_queue()
    {
        priority_queue<int> pq;
        pq.push(1);
        pq.push(3);
        pq.push(2);
        pq.push(5);
        pq.push(4);

        while (!pq.empty())
        {
            cout << pq.top() << " ";
            pq.pop();
        }
        cout << endl;
    }
}

（六）deque的简单介绍(了解)

文档链接：deque文档介绍

1、deque的原理介绍

deque(双端队列)

是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)；
与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；
与list比较，空间利用率比较高。

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？

deque是一个由多个固定大小的缓冲区构成的序列容器，每个缓冲区都被当作一个元素来处理。为了维护deque的假想连续结构，deque的迭代器实际上是一种复合迭代器，它将多个子迭代器封装在一起，以提供对整个deque的访问。
具体来说，deque的迭代器实际上就是一个指向数据缓冲区的指针数组，每个指针指向一个单独的存储块，而这些存储块构成了deque的数据缓冲区。

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

deque会通过维护多个内部的缓冲区来实现假想连续的结构，并且迭代器也会对这些内部缓冲区进行适当划分和处理；
在deque内部，每个缓冲区被称作一个节点node，并在其内部维护了一个完整的数据块；
当deque在两端插入/删除元素时，它会动态重新分配节点，使得每个节点上的数据块都可以被利用，从而保证数据块是假想连续的。同时，迭代器会利用这些节点间的相对偏移量来实现对deque的高效遍历。

下面是一个简单的示例程序，演示了如何使用deque迭代器来访问deque中的元素：

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

int main() 
{
   deque<int> d = { 0,1, 2, 3, 4 };
   deque<int>::iterator it = d.begin();

    // 使用迭代器访问deque
    for (; it != d.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
   cout <<endl;

    // 在头部和尾部插入元素
    d.push_front(6);
    d.push_back(5);

    // 再次使用迭代器访问deque
    for (it = d.begin(); it != d.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
   cout << endl;

    return 0;
}

解释说明：

在上述代码中，我们使用deque容器和迭代器来存储和访问一系列整数；
首先，我们定义了一个deque对象d，并使用begin()函数获取其头部的迭代器；
然后，我们使用迭代器遍历deque中的元素，并输出它们的值；
接下来，我们调用push_front()函数和push_back()函数在deque的头部和尾部插入两个新元素；
最后，我们再次使用迭代器遍历deque中的元素，并输出它们的值；

💨 可以看到，即使我们在deque中插入了新元素，迭代器仍然可以正确地指向各个元素，这得益于deque迭代器的复合结构和灵活的移动方式。

输出结果如下：

【C++】容器篇（四）—— queue的基本介绍以及模拟实现

2、deque的缺陷

与vector比较，deque的优势是：

头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是比vector高的。

与list比较，deque的优势是：

其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。

deque有一个致命缺陷：

不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历；
因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

（七）deque作为stack和queue的底层默认容器

1、分析

💨 stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；

💨 queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有 push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。

2、deque的优势

deque提供了在两端进行快速插入和删除的操作，并且支持随机访问。这使得它可以高效地实现栈和队列的基本操作，例如压入元素、弹出元素、获取栈顶或队头元素等等。
其次，deque的内存分配策略相对于vector更加灵活。vector的内存分配策略是连续的，在需要重新分配内存时，所有的元素都需要被复制到新的内存空间中；而deque的内存分配策略是分块的，每个元素所占用的内存空间是独立的，可以在不影响整个容器的情况下单独分配和回收。

💨 这样，当需要重新分配内存时，只需要重新分配一部分内存空间，而不需要把所有的元素都复制到新的内存空间中。这使得deque相对于vector具有更好的动态扩展性能和更低的内存开销。