C++初阶-queue的使用与模拟实现

一、queue的介绍和使用

1.队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO上下文(先进先出)中操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素。
2.队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。
3.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
4.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。

二、queue的使用

函数说明	接口说明
queue()	构造空的队列
empty()	检测队列是否为空，是返回true，否则返回false
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()	在队尾将元素val入队列
pop()	将队头元素出队列

void test_queue()
{
	queue<int> q;
	q.push(1);
	q.push(2);
	q.push(3);
	q.push(4);
	q.pop();
	cout << q.front() << endl;
	cout << q.size() << endl;
	cout << q.empty() << endl;
	cout << q.back() << endl;

}

int main()
{
	test_queue();
	return 0;
}

三、queue的模拟实现

3.1 成员变量

template<class T, class Container = list<T>>
class queue
{
private:
	Container _con;
};

3.2 成员函数

3.2.1 push入队列

void push(const T& x)
{
	_con.push_back(x);
}

3.2.2 pop出队列

void pop()
{
	_con.pop_front();
}

3.2.3 返回队头数据

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

3.2.4 返回队尾数据

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

3.2.5 返回队列的大小

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

3.2.6 判断队列是否为空

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

四、完整代码

4.1 queue.h

#pragma once

namespace zl
{
	//适配器模式/配接器
	template<class T, class Container = list<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

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

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

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

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


	private:
		Container _con;
	};


	void test_queue()
	{
		queue<int> q;
		q.push(1);
		q.push(2);
		q.push(3);
		q.push(4);

		while (!q.empty())
		{
			cout << q.front() << " ";
			q.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

4.2 test.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<stack>
#include<vector>
#include<queue>
#include<list>
using namespace std;
#include "queue.h"


int main()
{
	zl::test_queue();

	return 0;
}

五、deque的简单介绍

5.1 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(缺点：1.头部中部插入/删除效率低下2.扩容。优点：下标随机访问)，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较（缺点：不能支持随机访问。优点：任意位置高效插入删除），空间利用率比较高。

??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

中控满了，就扩容，但是扩容代价低

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

那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
1.deque是一个由三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个复合迭代器，它将多个子迭代器封装在一起，以提供对整个deque的访问。
2.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
。

1.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
2.在deque内部，每个缓冲区被称作一个结点node，并在其内部维护了一个完整的数据块
3.当deque在两端插入/删除元素时，它会动态重新分配结点，使得每个结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，迭代器会利用这些结点间的相对偏移量来实现对deque的高效遍历。

5.2 deque的优点和缺陷

??优点：1.相比vector，扩容代价低 2.头插头删，尾插尾删效率高 3.也支持随机访问。
??缺点：1.中间插入删除很难搞 （每个buff数据不一样大，效率高，会影响随机访问的效率变低。每个buff数组固定大小，牺牲中间插入删除的效率，随机访问效率就变高了。） 2.没有vector和list优点极致。
??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，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。
??但是，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。

5.3 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

??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。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。
   结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。