44 C++ STL模板库13-容器5-容器适配器-队列(queue)

C++ STL模板库13-容器5-容器适配器-队列(queue)

​ 队列（ std::queue）是一个容器适配器（container adapter），它基于其他容器（如 std::deque或 std::list）实现先进先出（FIFO）的行为。队列本身不是一个独立的容器，而是一个适配器类模板，定义在头文件 <queue>中。队列的操作主要关注元素的添加（在队尾）、移除（在队首）和访问。

1. 成员类型

这些类型在模板中定义，用于泛型编程。

类型名称	描述
value_type	队列中元素的类型（例如，T）。
container_type	底层容器的类型（默认为std::deque<T>）。
size_type	用于表示大小的无符号整数类型（通常为std::size_t）。
reference	元素的引用类型（例如，value_type&）。
const_reference	元素的常量引用类型（例如，const value_type&）。

2. 构造函数

队列的底层容器可通过这些构造函数指定。

函数签名	说明
queue()	默认构造函数，创建一个空队列。
explicit queue(const container_type& cont)	用现有容器cont初始化队列。
explicit queue(container_type&& cont)	用移动语义初始化队列（C++11起）。
queue(const queue& other)	拷贝构造函数。
queue(queue&& other)	移动构造函数（C++11起）。

3. 容量函数

这些函数用于查询队列状态，时间复杂度为O(1)。

函数签名	说明
bool empty() const	检查队列是否为空（返回true如果空）。
size_type size() const	返回队列中元素的数量。

4. 元素访问函数

访问元素不修改队列，但需确保队列非空，否则行为未定义。

函数签名	说明
reference front()	返回队首元素的引用（第一个添加的元素）。
const_reference front() const	常量版本的队首访问。
reference back()	返回队尾元素的引用（最后一个添加的元素）。
const_reference back() const	常量版本的队尾访问。

5. 添加元素函数

这些函数添加元素后，队列大小增加。

函数签名	说明
void push(const value_type& value)	在队尾添加一个元素（拷贝语义）。
void push(value_type&& value)	在队尾添加一个元素（移动语义，C++11起）。
template <class... Args> void emplace(Args&&... args)	在队尾直接构造元素（避免拷贝，C++11起）。

6. 移除元素函数

移除操作后，队列大小减少；需确保队列非空。

• void pop(): 移除队首元素（不返回被移除元素）。

7. 赋值操作符

用于将一个队列的内容赋给另一个队列。

函数签名	说明
queue& operator=(const queue& other)	拷贝赋值操作符。
queue& operator=(queue&& other)	移动赋值操作符（C++11起）。

8. 交换函数

高效交换底层容器，不影响元素所有权。

函数签名	说明
void swap(queue& other) noexcept	交换两个队列的内容（C++11起支持noexcept）。

9. 非成员比较操作符

这些全局函数基于底层容器的比较实现。

函数签名	说明
bool operator==(const queue& lhs, const queue& rhs)	检查两个队列是否相等。
bool operator!=(const queue& lhs, const queue& rhs)	检查是否不等。
bool operator<(const queue& lhs, const queue& rhs)	检查是否小于（字典序比较）。
bool operator<=(const queue& lhs, const queue& rhs)	检查是否小于或等于。
bool operator>(const queue& lhs, const queue& rhs)	检查是否大于。
bool operator>=(const queue& lhs, const queue& rhs)	检查是否大于或等于。

10. 非成员交换函数

提供一致的交换接口。

• void swap(queue<T, Container>& lhs, queue<T, Container>& rhs) noexcept: 全局swap函数，等同于lhs.swap(rhs)（C++11起）。

11. 注意事项

• 队列的特性：队列是一个适配器，默认底层容器为std::deque，但可通过模板参数指定其他容器（如std::list），要求容器支持back(), front(), push_back(), pop_front()等操作。
• 注意事项：队列不支持随机访问（如索引操作），所有操作的时间复杂度均为O(1)，但依赖于底层容器。使用时需包含头文件#include <queue>。

12. 示例用法

• 示例1：

  #include <iostream>
  #include <queue>
  #include <list>
  #include <string>using namespace std;
  int main (void) {// queue<string, list<string> > qs;queue<string> qs;qs.push ("不");qs.push ("尽");qs.push ("长江");qs.push ("滚滚");qs.push ("来");while (! qs.empty ()) {cout << qs.front ();qs.pop ();}cout << endl;return 0;
  }
  

  输出结果: 不尽长江滚滚来

• 示例2：

  #include <iostream>
  #include <queue> // 必须包含的头文件int main() {// 1. 创建队列std::queue<int> q; // 默认底层容器为 deque// 2. 添加元素（队尾）q.push(10);         // 拷贝添加q.push(20); q.emplace(30);      // 直接构造（C++11）q.emplace(40); // 3. 访问元素std::cout << "队首元素: " << q.front()  << "\n"; // 10std::cout << "队尾元素: " << q.back()  << "\n";  // 40// 4. 移除元素（队首）q.pop();   // 移除10std::cout << "新队首: " << q.front()  << "\n"; // 20// 5. 容量查询std::cout << "元素数量: " << q.size()  << "\n";  // 3std::cout << "是否为空: " << (q.empty()  ? "是" : "否") << "\n"; // 否// 6. 交换队列std::queue<int> other;other.push(99); q.swap(other); std::cout << "交换后队首: " << q.front()  << "\n"; // 99// 7. 遍历队列（会清空队列）std::cout << "遍历结果: ";while (!q.empty())  {std::cout << q.front()  << " ";q.pop();   // 边访问边移除}  // 输出: 99return 0;
  }
  

关键操作

• 特殊技巧

  • 批量初始化：

    std::deque<int> init{1,2,3};
    std::queue<int> q(init); // 通过底层容器初始化
    

  • 移动语义（C++11）：

    std::queue<int> q2(std::move(q)); // 移动而非拷贝
    

• 底层容器
  可指定不同底层容器：

  std::queue<int, std::list<int>> listQueue; // 基于list
  

  要求容器支持：back(), push_back(), pop_front()

• 遍历注意
  队列没有迭代器，遍历需结合：

  while (!q.empty()) {process(q.front()); // 处理队首q.pop();            // 移除已处理元素
  }
  

• 实践建议：

  • 优先使用 emplace() 避免拷贝开销
  • 访问元素前必须用 empty() 检查
  • 需要保留数据时，先拷贝再遍历（auto temp = q;）
  • 对性能敏感时考虑直接使用底层容器（如 deque）