【STL】queue

$queue$ 是一种容器适配器，设计为先进先出（$FirstInFirstOut,FIFO$）的数据结构，有两个出口，将元素推入队列的操作称为 $push$, 将元素推出队列的操作称为 $pop$。因此，只要能满足队列结构要求的容器都可以作为 $queue$ 的底层容器。同时，由于 $queue$ 不允许有遍历行为（只能取队头元素），因此 $queue$ 没有迭代器。

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前言 —— 容器适配器

适配器是一种设计模式（设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结），该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。

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一、queue 的介绍

关于 $queue$ 的介绍，建议去查 $C$++ 官方文档：$queue$ 的文档介绍。

以下为 $queue$ 的官方文档介绍：

1. 队列是一种容器适配器，专门用于在 $FIFO$ 上下文（先进先出）中操作，其中从容器一端插入元素，另一端提取元素。

2. 队列作为容器适配器实现，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，$queue$ 提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从队尾入队列，从队头出队列。

3. 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:
   (1)empty：检测队列是否为空。
(2)size：返回队列中有效元素的个数。
(3)front：返回队头元素的引用。
(4)back：返回队尾元素的引用。
(5)push_back：在队尾入队列。
(6)pop_front：在队头出队列。

4. 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。

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二、queue 的使用（常用接口）

下面只列举了 $queue$ 最常用的几个接口，更多详细信息可以自行查官方文档：$queue$。

可以看出 $queue$ 和 $vector$ 和 $list$ 都不一样，第二个模板参数从 alloc 变为了 Container，缺省值说明标准库里的 $queue$ 默认为 $deque$ 容器的容器适配器：
$$template<classT,classContainer=deque<T>>classqueue;$$

函数说明	接口说明
$queue()$	构造空的队列
$empty()$	检测队列是否为空，是返回 $true$，否则返回 $false$
$size()$	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
$push()$	在队尾将元素 $val$ 入队列
$pop()$	将队头元素出队列

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三、queue 的模拟实现

因为 $queue$ 的接口中存在头删和尾插，因此使用 $vector$ 来封装效率太低，故可以借助 $list$ 来模拟实现 $queue$。

也就是说，$queue$ 作为容器适配器，是直接封装其他容器的部分功能，只要能实现 $queue$ 的基本功能，就能够作为 $queue$ 的底层实现容器，如：$list$、$deque$。

这里使用 $list$ 容器为底层默认容器来模拟实现的 $queue$：

#include <list>

using namespace std;

namespace ybc
{
	//用 Container 适配转换出 queue
	template<class T, class Container = list<T>> //给list缺省值
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

		const T& front() const
		{
			return _con.front();
		}

		const T& back() const
		{
			return _con.back();
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}

		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;	//底层可以使用 vector/list/deque 容器
	};
}

注意：类模板实例化时，会按需实例化：使用了哪些成员函数，就实例化哪些成员函数（不会全实例化）。

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四、STL 标准库中的 queue

1. 底层结构

虽然 $queue$ 中也可以存放元素，但在 $STL$ 中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为 $queue$ 只是对其他容器的接口进行了包装，$STL$ 中 $queue$ 默认使用 $deque$：

关于 $deque$ 的介绍可以看我的这篇博客：【STL】$deque$（了解），仅供了解，这里不过多介绍。

2. 模拟实现

#include <list>
#include<deque>

using namespace std;

namespace ybc
{
	//template<class T, class Con = list<T>>
	template<class T, class Con = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		queue() {}
		
		void push(const T& x) 
		{
			_c.push_back(x);
		}
		
		void pop() 
		{
			_c.pop_front();
		}
		
		T& back() 
		{
			return _c.back();
		}
		
		const T& back() const 
		{
			return _c.back();
		}
		
		T& front() 
		{
			return _c.front();
		}
		
		const T& front() const 
		{
			return _c.front();
		}
		
		size_t size() const 
		{ 
			return _c.size();
		}
		
		bool empty() const 
		{
			return _c.empty();
		}
	private:
		Con _c;
	};
}

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总结

以某种既有容器为底部结构，将其接口改变，使其符合 $“$先进先出$”$ 的特性，形成一个 $queue$，是很容易做到的。$deque$ 是双向开口的数据结构，若以 $deque$ 为底部结构并封闭其底端的出口和前端的入口，便轻而易举地形成了一个 $queue$。因此，$SGI$ $STL$ 便以 $deque$ 作为默认情况下的 $queue$ 底部结构。

由于 $queue$ 是以底部容器完成其所有工作，而具有这种 $“$修改某物接口，形成另一种风貌$”$ 的性质的，称为 $adapter$（适配器），因此，$STL$ $queue$ 往往不被归类为 $container$（容器），而被归类为 $containeradapter$（容器适配器）。