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(duì)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的元素，元素移出后，原對(duì)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(chǎng)景中：

• 消息隊(duì)列：在分布式系統(tǒng)或異步任務(wù)處理場(chǎng)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(chǔ)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<queue>中定義，其函數(shù)聲明如下：

形參T和Container

• T：存儲(chǔ)的元素類型。

• Container：用于存儲(chǔ)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(yǔ)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：

  


  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(chǔ)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：

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：

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：

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(duì)應(yīng)的就是入隊(duì)操作。其函數(shù)聲明如下：

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

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(duì)應(yīng)的就是出隊(duì)操作。其函數(shù)聲明如下：

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：

其本質(zhì)上是交換兩個(gè)Container中的內(nèi)容。

用法示例

輸出結(jié)果：