C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……

1. 前言

队列和栈一样,都是受限的数据结构。

队列遵循先进先出的存储原则,类似于一根水管,水从一端进入,再从另一端出去。进入的一端称为队尾,出去的一端称为队头

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图

队列有 2 个常规操作:

  • 入队:进入队列,数据总是从队尾进入队列。
  • 出队:从队列中取出数据,数据总是从队头出来。

本文将先从STL的队列说起,然后讲解如何自定义队列。

2. STL 中的队列

STL的队列有:

  • queue(普通队列)
  • priority_queue(优先队列)
  • deque(双端队列)

2.1 queue(普通队列)

queue是一个适配器对象,是对deque组件进行改造后的伪产品,可以在源代码中看出端倪。

template >
class queue{
    //……
}

构建queue时需要 2 个类型参数:

  • _Tp:存储类型说明。
  • _Sequence:真正的底层存储组件,默认是deque。使用时,开发者可以根据需要指定其它的存储组件。

queue 类中提供了几个常规操作方法:

方法名 功能说明
back() 返回最后一个元素
empty() 如果队列空则返回真
front() 返回第一个元素
pop() 删除第一个元素
push() 在末尾加入一个元素
size() 返回队列中元素的个数

操作实例:

#include 
#include 
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
    //创建并初始化队列
    queue myQueue;
    //向队列添加数据
    for(int i=0; i

输出结果:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图1

在上述创建queue时也可以指定list作为底层存储组件。

queue > myQueue;

改变底层依赖组件,对业务层面的实现不会产生任何影响 ,这也是适配器设计模式的优点。

2.2 Priority Queues

从优先队列中删除数据时,并不一定是按先进先出的原则,而是遵循优先级法则,优先级高的数据先出队列,与数据的存储顺序无关。类似于现实生活中的VIP客户一样。

优先队列的常规方法:

方法 功能说明
empty() 如果优先队列为空,则返回真
pop() 删除第一个元素
push() 加入一个元素
size() 返回优先队列中拥有的元素的个数
top() 返回优先队列中有最高优先级的元素

创建并初始化优先队列:

使用之前,先查阅 priority_queue的源代码。

template,typename _Compare  = less >
class priority_queue
{
//……
}

从源代码可知,优先队列属于容器适配器组件,本身并不提供具体的存储方案,使用时,需要指定一个容器对象用于底层存储(默认是 vector容器)。除此之外,还需要一个能对数据进行优先级判定的对象。

当存储的数据是基本类型时,可以使用内置的函数对象进行比较。

//升序队列
priority_queue ,greater > q;
//降序队列
priority_queue ,less > q_;

greaterless是内置的两个函数对象。

如果是对自定义类型进行比较,则需要提供自定义的比较算法,可以通过如下的 2 种方式提供:

  • lambda函数。
auto cmp = [](pair left, pair right) -> bool { return left.second > right.second; };
priority_queue, vector>, decltype(cmp)>  pri_que(cmp);
  • 自定义函数对象。要求函数对象中重写operator()函数,如此,对象便能如函数一样使用。
struct com_{
    bool operator()(const pair& left, const pair& right) {
        return left.second > right.second;
}};
priority_queue,vector>,com_> pri_que2;

操作实例:

实例功能要求:使用优先队列存储运算符,获取运算符时,按运算符的优先级出队。

#include 
#include 
using namespace std;
//运算符对象
struct Opt {
    //运算符名
    char name;
    //运算符的优先级
    int jb;
    void desc() {
        cout,com> opt_que;
    //添加运算符
    Opt opt= {'+',1} ;
    opt_que.push(opt);
    opt= {'*',2} ;
    opt_que.push(opt);
    opt= {'(',3} ;
    opt_que.push(opt);
    opt= {')',0} ;
    opt_que.push(opt);
    //出队列
    int size= opt_que.size();
    for(int i=0; i

输出结果:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图2

2.3 deque

前面的queue对象本质是在deque的基础上进行重新适配之后的组件,除此之外,STL中的stack也是……

deque也称为双端队列,在两端都能进行数据的添加、删除。可以认为deque是一个伸缩性很强大的基础功能组件,对其进行某些功能的屏蔽或添加,便能产生新组件。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图3

deque的相关方法如下:

  • push_back():在队尾添加数据。
  • pop_back():数据从队尾出队列。
  • push_front():在队头添加数据。
  • pop_front():数据从队头出队列。

如果只允许使用push_back()pop_back()push_front()pop_front()方法,就可以模拟出栈的存储效果。
类似的,如果禁用pop_back()push_front()则可以模拟出普通队列的存储效果……

可能会问,为什么选择deque作为基础组件,难道它有什么先天性优势吗?

这个就需要从它的物理结构说起。

deque物理结构中的基本存储单位称为段,段是一个连续的可存储 8 个数据的顺序区域。一个deque对象由很多段组成,段与段在物理空间上并不相邻,而是通过一个中央控制段存储其相应地址。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图4

deque具有顺序存储的查询性能优势也具有链式存储的插入、删除方面的性能优势。因为它在物理结构上完美地融合了顺序存储思想(局部)和链式存储思想(整体)。

在一个段上进行数据查询是很快的,即使有插入和删除操作也只会对本段的性能有影响,而不会拖累整体性能。

操作实例:

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main(int argc, char *argv[]) {
    int ary[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    //使用数组初始化 vector
    vector vec( &ary[0], &ary[4]+1 );
    //使用 vector 初始化双端队列
    deque myDeque( vec.begin(), vec.end() );
    //队头插入数据
    myDeque.push_front( 0 );
    //队尾插入数据
    myDeque.push_back( 6 );
    cout::iterator iter = myDeque.begin();
    while( iter != myDeque.end() ) {
        cout

执行后输出结果:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图5

3. 自定义队列

队列有 2 种实现方案:

  • 顺序实现,基于数组的实现方案。
  • 链表实现,基于链表的实现方案。

3.1 顺序实现

顺序实现底层使用数组作为具体存储容器。实现之初,需要创建一个固定大小的数组。

3.1.1 思路

数组是开发式的存储容器,为了模拟队列,可以通过 2 个指针用来限制数据的存和取:

  • front:指向队头的指针,用来获取队头数据。总是指向最先添加的数据。
  • rear:指向队尾的指针,用来在队尾添加数据。

初始,frontrear指针可以指向同一位置,可以是下标为0位置。如下图所示:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图6

可以根据frontrear所指向位置是否相同,而判断队列是否为空。

如果 front==rear: 
     表示当前队列是空的

入队操作:

  • 将数据存储在rear所指向位置,再把rear向右边移动一个位置(rear总是指向下一个可用的位置)。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图7

  • rear超出数组的边界,即下标为数组的长度时,表示队列已经满了。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图8

如果 rear==数组长度
    表示队列已经满了

出队操作:

出队操作可以有 2 个方案。

  • front固定在下标为 0的位置,从队列删除一个数据后,后续数据向前移动一位,并把rear指针向左移动一位。如下图是删除数据1后的演示图:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图9

这种方案的弊端是,每删除一个数据,需要后续数据整体向左移动,时间复杂度为O(n),性能偏低。

  • front位置处提取数据后,front指针向右边移动。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图10

front位置为队头,而不是以数组的绝对位置0为队头。这种方案的优势很时显,时间复杂度为O(1)

但会出现假溢出的现象,如上图示,删除数据1后,留下了一个可用的空位置,因rear指针是向右移动的,并不知前面有空的位置,从而也无法使用此空位置。

针对于这种情况,可以让rear指针在超过下标界限后,重头再开始定位,这样的队列称为循环队列。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图11

前文说过,当frontrear指针相同时,认定队列为空。在循环队列,当入队的速度快于出队速度时,rear指针是可以追上front指针的。如下图所示:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图12

这时队列为满负荷状态。也就是说,front等于rear时队列有可能是空的也有可能是满的。

可以使用 2 种方案解决这个问题:

  • 计数器方案。使用计数器记录队列中的实际数据个数。当num==0时队列为空状态,当num==size时队列为满状态。
  • 留白方案:存储数据时,从rear+1位置开始,而不是存储在rear位置。或者说下标为 0的位置空出来。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图13

这样,当rear+1等于front时,可判定队列为满状态。

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图14

注意,在获取队头数据时,需要先把front向右移一位。

3.1.2 编码实现

循环队列类(留白方案):

class MyQueue {
    private:
        //数组
        int *queue;
        int front;
        int rear;
        int size;
    public:
        //构造函数
        MyQueue(int queueSize=10):size(queueSize),front(0),rear(0) {
            this->queue=new int[queueSize];
        }
        //析构函数
        ~ MyQueue() {
            delete[] queue;
        }
        //队列是否为空
        bool isEmpty() {
            return this->front==this->rear;
        }
        //数据入队列
        bool push_back(int data) {
            //需要判断队列是否有空位置
            if  (((this->rear+1)%this->size)!=this->front) {
                //获取当前可存储位置
                this->rear=(this->rear+1) % this->size;
                //存储数据
                this->queue[this->rear]=data;
                return true;
            }
            return false;
        }

        //数据出队列
        bool pop_front(int& data) {
            //队列不能为空
            if (this->rear!=this->front) {
                //头指针向右移动
                this->front=(this->front+1) % this->size;
                data=this->queue[this->front];
                return true;
            }
            return false;

        }
        //查看队头数据
        bool get_front(int & data) {
            //队列不能为空
            if (this->rear!=this->front) {
                //头指针向右移动
                int idx=(this->front+1) % this->size;
                data=this->queue[idx];
                return true;
            }
            return false;
        }
};

测试队列:

#include 
using namespace std;
int main(int argc, char *argv[]) {
    MyQueue myQueue(5);
    //向队列中压入 4 个数据,注意,有一个位置是空着的
    for(int i=0; i

输出结果:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图15

3.2 链式实现

链式实现队列时,数据可以从头部插入然后从尾部删除,或从尾部插入再从头部删除。本文使用尾部插入,头部删除方案。

  • 链表实现时,需要头指针也需要尾指针。初始,都为NULL

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图16

  • 链式实现的过程简单清晰,就是在单链表上的数据添加和删除操作,具体细节这里就不再废话,直接上代码:
    C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图17

链式实现的流程简单清晰,这里就不再废话,直接上代码:

#include 
using namespace std;
//链表的结点类型
struct QueueNode {
    int data;
    QueueNode* next;
    QueueNode() {
        this->next=NULL;
    };
};
class MyQueue_ {
    private:
        //数组
        QueueNode* front;
        QueueNode* rear;
    public:
        //构造函数
        MyQueue_() {
            this->front=NULL;
            this->rear=NULL;
        }
        //析构函数
        ~ MyQueue_() {
            QueueNode* p, *q;
            p=front;
            while(p) {
                q=p;
                p=p->next;
                delete q;
            }
            front=NULL;
            rear=NULL;
        }
        //队列是否为空
        bool isEmpty() {
            return this->front==NULL && this->rear==NULL;
        }
        //数据入队列
        bool push_back(int data) {
            //新结点
            QueueNode* p=new QueueNode();
            if(p) {
                //申请结点成功
                p->data=data;
                if(rear) {
                    rear->next=p;
                    rear=p;
                } else
                    front=rear=p;
                return true;
            } else
                return false;
        }
        //数据出队列
        bool pop_front(int& data) {
            QueueNode* p;
            if(!isEmpty()) {   
                 //判断队列是否为空
                p=front;
                data=p->data;
                front=front->next;
                if(!front)
                    rear=NULL;
                delete p;
                return true;
            }
            return false;
        }
        //查看队头数据
        bool get_front(int & data) {
            if(!isEmpty()) {
                data=front->data;
                return true;
            } else
                return false;
        }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    MyQueue_ myQueue;
    //向队列中压入 4 个数据,注意,有一个位置是空着的
    for(int i=0; i

输出结果:

C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……插图18

4. 总结

本文讲解了STL中的队列组件,以及如何通过顺序表和链表模拟队列。

本文同时被收录到"编程驿站"公众号。

文章来源于互联网:C++ 队列!还是要从 STL 中的说起……

THE END
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