前言：
在上期博文中我带大家对stack进行深入的学习，本期我将带领学习的是关于 queue的基本知识，并且还将给大家介绍并实现 priority_queue。接下来，让我们正式本期的内容。
（一）queue的基本介绍
- 文档链接：queue的文档介绍
💨 queue是一个容器适配器，它是基于deque或者list实现的。queue的特点是先进先出（FIFO）
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
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）基本使用
- queue的主要的接口函数大概就是以下这几个，我们也将围绕这几个接口来模拟实现。
（三）模拟实现
- 代码如下：
#pragma once namespace zp { template<class T, class Container = deque<T>> class queue { public: void push(const T& x) { return _qq.push_back(x); } void pop() { if (!_qq.empty()) { return _qq.pop_front(); } } const T& front() { return _qq.front(); } const T& back() { return _qq.back(); } bool empty() { return _qq.empty(); } size_t size() { return _qq.size(); } private: Container _qq; }; void test_queue_1() { queue<int> q; //queue<int, list<int>>q; //queue<int, vector<int>>q; q.push(1); q.push(2); q.push(3); q.push(4); q.push(5); //队首元素 if ((!q.empty())) { cout << q.front() << " "<<endl; } q.pop(); cout << q.front() << endl; // 检查队列是否为空 if (q.empty()) { cout << "Stack is empty" << endl; } else { cout << "queue is not empty" << endl; } // 获取队列的大小 cout << "queue size is " << q.size() << endl; //输出队列元素 while (!q.empty()) { cout << q.front() << " "; q.pop(); } cout << endl; } }
（四）priority_queue的基本介绍
- 文档链接：priority_queue的文档介绍
priority_queue是一个容器适配器，它是基于vector实现的，默认情况下是按照元素大小排序的（大根堆）。可以通过指定比较函数改变排序方式。
底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭 代器访问，并支持以下操作：
- push()：元素入队
- pop()：元素出队
- top()：返回堆顶元素
- empty()：判断堆是否为空
- size()：返回堆中元素数量
💨 大家如果想了解更多，可以借助文档仔细琢磨！！！
（五）基本使用
- 优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中元素构造成 堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。
基本使用跟上面的queue是大同小异的，我们直接模拟实现即可。
⚔️ 注意： 默认情况下priority_queue是大堆。⚔️
（六）priority_queue的模拟实现
- 代码如下：
#pragma once namespace zp { template<class T, class Compare = less<T>> class priority_queue { public: void push(const T& val) { _qq.push_back(val); push_heap(_qq.begin(), _qq.end(), _cmp); } void pop() { pop_heap(_qq.begin(), _qq.end(), _cmp); _qq.pop_back(); } const T& top() const { return _qq.front(); } bool empty() const { return _qq.empty(); } size_t size() const { return _qq.size(); } private: vector<T> _qq; Compare _cmp; }; void test_priority_queue() { priority_queue<int> pq; pq.push(1); pq.push(3); pq.push(2); pq.push(5); pq.push(4); while (!pq.empty()) { cout << pq.top() << " "; pq.pop(); } cout << endl; } }
（六）deque的简单介绍(了解)
- 文档链接：deque文档介绍
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，头插效率高，不需要搬移元素；
- 与list比较，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，其底层结构如下图所示：
双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂，如下图所示：
那deque是如何借助其迭代器维护其假想连续的结构呢？
- deque是一个由多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种复合迭代器，它将多个子迭代器封装在一起，以提供对整个deque的访问。
- 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。
- 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；
- 在deque内部，每个缓冲区被称作一个节点node，并在其内部维护了一个完整的数据块；
- 当deque在两端插入/删除元素时，它会动态重新分配节点，使得每个节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，迭代器会利用这些节点间的相对偏移量来实现对deque的高效遍历。
下面是一个简单的示例程序，演示了如何使用deque迭代器来访问deque中的元素：
#include <iostream> #include <deque> using namespace std; int main() { deque<int> d = { 0,1, 2, 3, 4 }; deque<int>::iterator it = d.begin(); // 使用迭代器访问deque for (; it != d.end(); ++it) { cout << *it << " "; } cout <<endl; // 在头部和尾部插入元素 d.push_front(6); d.push_back(5); // 再次使用迭代器访问deque for (it = d.begin(); it != d.end(); ++it) { cout << *it << " "; } cout << endl; return 0; }
解释说明：
- 在上述代码中，我们使用deque容器和迭代器来存储和访问一系列整数；
- 首先，我们定义了一个deque对象d，并使用begin()函数获取其头部的迭代器；
- 然后，我们使用迭代器遍历deque中的元素，并输出它们的值；
- 接下来，我们调用push_front()函数和push_back()函数在deque的头部和尾部插入两个新元素；
- 最后，我们再次使用迭代器遍历deque中的元素，并输出它们的值；
💨 可以看到，即使我们在deque中插入了新元素，迭代器仍然可以正确地指向各个元素，这得益于deque迭代器的复合结构和灵活的移动方式。
输出结果如下：
2、deque的缺陷
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，deque的优势是：
- 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。
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，而目前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。
（七）deque作为stack和queue的底层默认容器
1、分析
💨 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。
2、deque的优势
- deque提供了在两端进行快速插入和删除的操作，并且支持随机访问。这使得它可以高效地实现栈和队列的基本操作，例如压入元素、弹出元素、获取栈顶或队头元素等等。
- 其次，deque的内存分配策略相对于vector更加灵活。vector的内存分配策略是连续的，在需要重新分配内存时，所有的元素都需要被复制到新的内存空间中；而deque的内存分配策略是分块的，每个元素所占用的内存空间是独立的，可以在不影响整个容器的情况下单独分配和回收。
💨 这样，当需要重新分配内存时，只需要重新分配一部分内存空间，而不需要把所有的元素都复制到新的内存空间中。这使得deque相对于vector具有更好的动态扩展性能和更低的内存开销。
3、原因
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。
因此综上所述，由于deque提供了高效的双端操作和灵活的内存分配策略，使得它成为了实现stack和queue的底层默认容器的理想选择，结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。
总结
到此，本文的内容便到此结束了，接下来我们简单的回顾一下本文都讲了什么吧！！！
- 1、首先，我们介绍有关队列的有关知识，知道了其FIFO的特性，并手动实现了一个queue；
- 2、其次，我们认识了priority_queue，跟学习queue一样，我们知道了在默认情况下队列中的元素是按照大根堆的序列排的；
- 3、紧接着，我带领大家简单的认识一下关于deque，了解了相关概念以及特性；
- 4、最后，我们整理了deque作为stack和queue的底层默认容器的具体原因。
以上便是本文的全部内容，希望对大家有所帮助，感谢各位的支持与观看！！！
