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。

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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<typename _Tp, typename _Sequence = deque<_Tp> >
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 <iostream>
#include <queue>
using namespace std;
int main(int argc, char** argv) {
	//创建并初始化队列
	queue<int> myQueue;
	//向队列添加数据
	for(int i=0; i<5; i++) {
		myQueue.push(i);
	}
	cout<<"查看队尾的数据"<<myQueue.back()<<endl;
	cout<<"看队列的第一个数据"<<myQueue.front()<<endl;
	//获取到队列的大小
	int size=myQueue.size();
	//所有数据出队列
	for(int i=0; i<size; i++) {
		cout<<myQueue.front()<<endl;
		myQueue.pop();
	}
	cout<<"列是否为空:"<<myQueue.empty()<<endl;
	return 0;
}

输出结果：

2.png

在上述创建queue时也可以指定list作为底层存储组件。

queue<int,list<int> > 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 _Tp, typename _Sequence = vector<_Tp>,typename _Compare  = less<typename _Sequence::value_type> >
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 <int,vector<int>,greater<int> > q;
//降序队列
priority_queue <int,vector<int>,less<int> > q_;

greater和less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<int, int> left, pair<int, int> right) -> bool { return left.second > right.second; };
priority_queue<pair<int, int>, vector<pair<int, int>>, 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<int, int>& left, const pair<int, int>& right) {
		return left.second > right.second;
}};
priority_queue<pair<int,int>,vector<pair<int, int>>,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 <iostream>
#include <queue>
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<<name<<":"<<jb<<endl;
	}
};
//函数对象，提供优先级队列的比较法则
struct com {
	bool operator()(const Opt& opt1, const Opt& opt2) {
		return opt1.jb<opt2.jb;
	}
};
int main(int argc, char** argv) {
	priority_queue<Opt ,vector<Opt>,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<size; i++) {
		Opt tmp=opt_que.top();
		opt_que.pop();
		tmp.desc();
	}
	cout<<"队列是否为空:"<<opt_que.empty()<<endl;
	return 0;
}

输出结果：

3.png

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。

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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()和pop_back()或push_front()和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()和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。

5.png

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 <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
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<int> vec( &ary[0], &ary[4]+1 );
	//使用 vector 初始化双端队列
	deque<int> 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<<"查看队头数据 : "<<myDeque.front()<<endl;
	cout<<"查看队尾数据: "<<myDeque.back()<<endl;
	//双端队列支持迭代器查询
	deque<int>::iterator iter = myDeque.begin();
	while( iter != myDeque.end() ) {
		cout<<*(iter++)<<' ';
	}
	cout<<endl;
	//双端队列支持下标访问方式
	cout<<"a[3] = "<<myDeque[3] << endl;
	//支持迭代器删除
	myDeque.erase( myDeque.begin() );
	//删除头部删除
	myDeque.pop_front();
	// 删除尾部元素
	myDeque.pop_back();
	cout<<"查看队头数据: "<<myDeque.front()<<endl;
	cout<<"查看队尾数据: "<<myDeque.back()<<endl;
	return 0;
}

执行后输出结果：

6.png

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

7.png

可以根据front和rear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）。

8.png

  • 当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。

9.png

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：

10.png

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。

  • 从front位置处提取数据后，front指针向右边移动。

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以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。

12.png

前文说过，当front和rear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：

13.png

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。

18.png

这样，当rear+1等于front时，可判定队列为满状态。

14.png

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 <iostream>
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<5; i++) {
		myQueue.push_back(i);
	}
	int data;
	myQueue.get_front(data);
	cout<<"队头数据："<<data<<endl;
	//队列已经满，测试是否还能压入数据
	int	data_=5;
	bool is= myQueue.push_back(data_);
	if(is)
		cout<<"压入成功"<<endl;
	else
		cout<<"压入失败"<<endl;
	//把队列中的所有数据删除
	int tmp;
	for(int i=0; i<4; i++) {
		is= myQueue.pop_front(tmp);
		if(is)
			cout<<tmp<<endl;
	}
}

输出结果：

15.png

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。

16.png

  • 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：
    17.png

链式实现的流程简单清晰，这里就不再废话，直接上代码：

#include <iostream>
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<5; i++) {
		myQueue.push_back(i);
	}
	int data;
	myQueue.get_front(data);
	cout<<"队头数据："<<data<<endl;
	//队列已经满，测试是否还能压入数据
	int	data_=5;
	bool is= myQueue.push_back(data_);
	if(is)
		cout<<"压入成功"<<endl;
	else
		cout<<"压入失败"<<endl;
	//把队列中的所有数据删除
	int tmp;
	for(int i=0; i<4; i++) {
		is= myQueue.pop_front(tmp);
		if(is)
			cout<<tmp<<endl;
	}
}

输出结果：

15.png

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。

posted @ 2022-10-14 09:24  一枚大果壳  阅读(564)  评论(0)  编辑  收藏  举报