C++从入门到实战（二十三）queue的介绍和使用

前言

• 在上一篇博客中，我们学习了stack——遵循后进先出（LIFO）规则的容器适配器，仅支持栈顶的插入、删除与访问操作；
• 本篇将聚焦另一种容器适配器——queue（队列）：它和stack同属适配器容器，但核心规则是先进先出（FIFO），仅支持从队尾插入元素、从队头删除/访问元素，同样是基于底层序列容器封装的轻量级工具；
• 我们将从queue的核心特性入手，详解它的定义、底层要求、常用接口的使用方法，并结合示例说明其典型应用场景，帮你掌握队列的核心使用技巧。

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C++官方queue文档
https://cplusplus.com/reference/queue/queue/

一、什么是queue

1.1 queue的定义

1. 队列是一种容器适配器，专门用于在FIFO（先进先出，First In First Out）的场景下操作：只能从容器的一端插入元素，从另一端提取元素。
2. 队列作为容器适配器实现，容器适配器的本质是封装一个特定的容器作为底层容器，queue只会对外提供符合队列规则的成员函数来访问元素：元素从队尾完成入队操作，从队头完成出队操作，无法访问队列中间的元素。
3. 能够作为queue底层容器的类，需要至少支持以下操作：
   • empty：检测容器是否为空
   • size：返回容器中有效元素的个数
   • front：返回容器首元素的引用
   • back：返回容器尾元素的引用
   • push_back：在容器尾部插入元素
   • pop_front：在容器头部删除元素
4. STL中的标准容器deque和list都满足这些要求。默认情况下，如果实例化queue时没有指定底层容器，会自动使用标准容器deque。

1.2 queue的核心特性

• 单向操作限制：仅能操作队头和队尾，无法访问/修改队列中间的元素，也不支持迭代器遍历；
• 适配器特性：仅做接口封装，无额外内存开销，性能完全依赖底层容器；
• FIFO严格规则：先入队的元素一定会先出队，和现实中的“排队”逻辑完全一致。

二、queue的核心接口详解

queue的接口和stack一样非常精简，仅包含构造、判空、大小、队头/队尾访问、入队、出队这几个核心接口：

2.1 构造函数：queue()

语法

queue<T>q;// T为存储的元素类型，默认底层容器为deque// 或指定底层容器：queue<T, Container> q;

作用

• 创建一个空的队列，底层容器会执行默认初始化。

示例

#include<queue>#include<iostream>#include<list>usingnamespacestd;intmain(){// 1. 默认构造（底层容器为deque）queue<int>q1;// 2. 指定底层容器为listqueue<int,list<int>>q2;cout<<"q1是否为空："<<q1.empty()<<endl;// 输出：1（true）return0;}

2.2 判空操作：empty()

语法

boolempty()const;

作用

• 检测队列是否为空，为空返回true，否则返回false，时间复杂度O(1)。

示例

queue<int>q;cout<<q.empty()<<endl;// 空队列，输出：1（true）q.push(10);cout<<q.empty()<<endl;// 非空队列，输出：0（false）

2.3 大小获取：size()

语法

size_tsize()const;

作用

• 返回队列中有效元素的个数，返回值为无符号整数size_t。

示例

queue<int>q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);cout<<"队列的大小："<<q.size()<<endl;// 输出：3

2.4 队头访问：front()

语法

// 普通版本：返回队头元素的引用（可修改）T&front();// const版本：返回队头元素的const引用（只读）constT&front()const;

作用

• 返回队列中第一个入队元素的引用，空队列调用front()会导致未定义行为。

示例

queue<int>q;q.push(10);q.push(20);// 普通版本：修改队头元素q.front()=100;cout<<"队头元素："<<q.front()<<endl;// 输出：100// const版本：仅能读取constqueue<int>cq(q);cout<<"const队列的队头元素："<<cq.front()<<endl;// 输出：100// cq.front() = 200; // 错误：const引用无法修改元素

2.5 队尾访问：back()

语法

// 普通版本：返回队尾元素的引用（可修改）T&back();// const版本：返回队尾元素的const引用（只读）constT&back()const;

作用
返回队列中最后一个入队元素的引用，空队列调用back()会导致未定义行为。
示例

queue<int>q;q.push(10);q.push(20);// 普通版本：修改队尾元素q.back()=200;cout<<"队尾元素："<<q.back()<<endl;// 输出：200

2.6 入队操作：push()

语法

// 拷贝入队：将val拷贝到队尾voidpush(constT&val);// 原地构造（C++11）：直接在队尾构造元素，避免拷贝template<class...Args>voidemplace(Args&&...args);

作用

• 将元素添加到队尾，底层调用底层容器的push_back()接口。
  示例

queue<int>q;// 拷贝入队q.push(1);q.push(2);// 原地构造入队，效果等同于push(3)，但效率更高q.emplace(3);cout<<"队尾元素："<<q.back()<<endl;// 输出：3

2.7 出队操作：pop()

语法

voidpop();

作用
删除队头的元素（仅执行删除操作，不会返回元素），底层调用底层容器的pop_front()接口；空队列调用pop()会导致未定义行为。

示例

queue<int>q;q.push(1);q.push(2);q.push(3);cout<<"出队前队头："<<q.front()<<endl;// 输出：1q.pop();// 删除队头元素1cout<<"出队后队头："<<q.front()<<endl;// 输出：2cout<<"出队后队列大小："<<q.size()<<endl;// 输出：2

三、queue的综合使用示例

queue没有迭代器，无法直接遍历，如果需要遍历队列，需要借助临时队列暂存元素，遍历完成后可以选择恢复原队列：

#include<queue>#include<iostream>usingnamespacestd;intmain(){// 1. 初始化队列并入队元素queue<int>q;q.push(10);q.push(20);q.push(30);q.push(40);// 2. 队列的基本属性cout<<"队列是否为空："<<q.empty()<<endl;// 输出：0cout<<"队列的大小："<<q.size()<<endl;// 输出：4cout<<"队头元素："<<q.front()<<endl;// 输出：10cout<<"队尾元素："<<q.back()<<endl;// 输出：40// 3. 模拟遍历队列（借助临时队列）queue<int>temp;cout<<"队列的元素（队头到队尾）：";while(!q.empty()){intval=q.front();cout<<val<<" ";// 输出：10 20 30 40temp.push(val);q.pop();}cout<<endl;// 4. 恢复原队列while(!temp.empty()){q.push(temp.front());temp.pop();}cout<<"恢复后队列大小："<<q.size()<<endl;// 输出：4return0;}

四、queue与stack的对比

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