C++ 容器类 queue

关键点

• std::queue 是 C++ 标准库中的一个容器适配器，提供先进先出（FIFO）的数据结构。
• 研究表明，它适合需要按顺序处理元素的场景，如任务队列或广度优先搜索。
• 证据显示，默认使用 std::deque 作为底层容器，但可以自定义。

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基本介绍

什么是 std::queue？
std::queue 是一种容器适配器，遵循先进先出（FIFO）的原则，允许在尾部添加元素，从头部移除元素。它适合模拟现实生活中的队列，比如排队等候或任务管理。

如何使用？
需要包含头文件 <queue>。主要操作包括：

• push()：将元素添加到队列尾部。
• pop()：移除队列头部元素。
• front()：查看头部元素（不移除）。
• back()：查看尾部元素（不移除）。
• empty()：检查队列是否为空。
• size()：返回队列中元素的数量。

示例代码：

#include <queue>
#include <iostream>
int main() {
    std::queue<int> q;
    q.push(10);
    q.push(20);
    q.push(30);
    while (!q.empty()) {
        std::cout << q.front() << " ";
        q.pop();
    }
    std::cout << std::endl; // 输出：10 20 30
}

适用场景：
它常用于任务调度、生产者-消费者模式或图的广度优先搜索（BFS）。

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详细讲解笔记

本文旨在深入探讨 C++ 容器类 <queue> 的用法，基于 2025 年 7 月 12 日的最新信息，结合权威来源进行分析。以下内容将从定义、工作原理、常用操作、典型用例、限制等方面全面阐述，并提供最佳实践建议。

背景与定义

std::queue 是 C++ 标准库中 <queue> 头文件提供的一个容器适配器，实现了先进先出（FIFO）的数据结构。根据多个中文技术博客（如 ShengYu Talk、C语言中文网）的讨论，std::queue 是一种封装了底层容器的适配器，设计上限制了访问方式，仅允许在尾部添加元素、在头部移除元素，适合需要顺序处理的场景。

工作原理

std::queue 本身不是直接的容器，而是基于其他序列容器（如 std::deque、std::list）实现的适配器。默认情况下，它使用 std::deque 作为底层容器，因为 deque 支持高效的头部和尾部操作。根据 C++ 标准库的文档，std::queue 的模板定义如下：

template <class T, class Container = deque<T>> class queue;

其中：

• T 是存储的元素类型。
• Container 是底层容器类型，默认是 std::deque<T>，但也可以指定为其他支持 front()、back()、push_back()、pop_front()、empty() 和 size() 操作的容器，如 std::list。

常用操作

根据多个来源（如 C语言中文网、CSDN 博客），std::queue 提供了以下主要成员函数：

函数名	描述
push(const T&)	在尾部添加元素（通过拷贝）。
push(T&&)	在尾部添加元素（通过移动语义）。
emplace()	在尾部构造元素，效率可能高于 push()。
pop()	移除头部元素（不返回值）。
front()	返回头部元素的引用（如果队列为空，行为未定义）。
back()	返回尾部元素的引用（如果队列为空，行为未定义）。
empty()	返回布尔值，检查队列是否为空。
size()	返回队列中元素的数量。
swap(queue&)	与另一个队列交换内容（也支持全局 swap() 函数）。

此外，std::queue 支持拷贝构造、移动构造、拷贝赋值和移动赋值操作，以及与另一个队列的比较操作（如 ==、!= 等）。

典型用例

根据社区讨论和示例代码，std::queue 的典型应用包括：

1. 模拟现实队列
   • 示例：超市结账队列或银行排队系统。
   • 使用 std::queue<Customer> 表示客户队列，push()添加新客户，pop() 处理当前客户。
2. 任务调度
   • 在生产者-消费者模式中，生产者通过 push() 添加任务，消费者通过 front() 和 pop() 处理任务。
3. 图算法
   • 在广度优先搜索（BFS）中，std::queue 用于存储待访问的节点，按添加顺序逐个处理。
   • 示例代码：std::queue<int> q; q.push(startNode); while (!q.empty()) { int current = q.front(); q.pop(); // 处理 current 节点 // 将相邻节点加入队列 }

限制与注意事项

尽管 std::queue 非常实用，但它有以下限制：

1. 不支持迭代器
   • 由于设计上强制 FIFO 访问，std::queue 不提供迭代器，无法遍历中间元素。
   • 如果需要遍历，必须通过循环调用 front() 和 pop()，如：while (!q.empty()) { std::cout << q.front() << " "; q.pop(); }
2. 性能考虑
   • 默认使用 std::deque 作为底层容器，头部和尾部操作效率高。但如果指定 std::vector 作为底层容器，从头部移除元素会因需要移动所有元素而效率低下，因此不推荐。
3. 线程安全
   • std::queue 本身不是线程安全的。在多线程环境中，使用时需要额外的同步机制，如 std::mutex。
   • 示例：std::queue<int> q; std::mutex mtx; // 生产者线程 void producer() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); q.push(10); } // 消费者线程 void consumer() { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); if (!q.empty()) q.pop(); }
4. 空队列操作
   • 调用 front() 或 pop() 时，如果队列为空，会导致未定义行为。必须先调用 empty() 检查。

高级功能与自定义

1. 自定义底层容器
   • 可以指定不同的底层容器，例如：std::queue<int, std::list<int>> q; // 使用 list 作为底层容器
   • 但需要确保底层容器支持上述必需操作。
2. emplace() 的使用
   • emplace() 允许直接在队列中构造元素，避免不必要的拷贝或移动，适合性能敏感的场景。
   • 示例：std::queue<std::pair<int, int>> q; q.emplace(1, 2); // 构造 pair(1, 2) 并加入队列
3. 交换操作
   • 使用 swap() 交换两个队列的内容，效率高，适合需要快速交换数据的情况。

性能分析

根据社区讨论，std::queue 的性能主要依赖于底层容器的选择：

• 使用 std::deque（默认）：头部和尾部操作时间复杂度为 O(1)，适合大多数场景。
• 使用 std::list：同样支持 O(1) 的头部和尾部操作，但内存开销可能更大。
• 使用 std::vector：不推荐，因为 pop_front() 的时间复杂度为 O(n)，因需要移动所有元素。

最佳实践

• 适用场景：在需要 FIFO 顺序处理的场景中使用，如任务队列、BFS 等。
• 不适用场景：如果需要随机访问或中间插入/删除，考虑使用 std::deque 或 std::list。
• 测试：编写单元测试，确保 empty() 检查和 front()/pop() 的正确使用。
• 线程安全：在多线程环境中，使用互斥锁（如 std::mutex）保护队列操作。
• 性能优化：优先使用 emplace() 而非 push()，减少拷贝开销；避免使用 std::vector 作为底层容器。

结论与建议

综合以上分析，std::queue 是一种简单高效的 FIFO 数据结构，适合顺序处理元素的场景。但需要注意其不支持迭代器、线程安全问题以及空队列操作的潜在风险。在使用时，应结合具体需求选择合适的底层容器，并遵循最佳实践以确保代码的正确性和性能。

参考文献

• C++ std::queue 用法與範例 | ShengYu Talk
• C++ queue(STL queue)用法详解 – C语言中文网
• std::queue|用法详解|C++标准库 – 知乎 (注：尝试访问未返回内容)