C++之queue的应用及模拟实现

前言：
前面篇章学习了C++对于stack容器的基本使用以及常用接口的认识，接下来继续学习，C++的queue的模拟实现等知识。
/知识点汇总/

1、queue的简单介绍

在C++中，queue是一种基于先进先出（FIFO）原则操作的容器。

与日常生活中的排队类似，队列的头部是第一个被添加的元素，也是第一个可以被删除的元素。
新添加的元素总是被放在队列的尾部。
queue为这种数据结构提供了一组函数来操作和访问元素。

以下是queue的一些基本特性和操作：

1.基本特性：

先进先出（FIFO）：队列的头部是第一个被添加的元素，也是第一个可以被删除的元素。新添加的元素总是被放在队列的尾部。
动态性：queue的大小是动态的，可以根据需要自动增长或缩小。
不支持随机访问：queue不支持通过索引直接访问任意位置的元素，只能从队头开始依次访问。
容器的通用性：queue可以容纳任何类型的元素，包括基本类型和自定义类型。

2.常用操作：

front()：返回queue中第一个元素的引用。如果queue是常量，就返回一个常引用；如果queue为空，返回值是未定义的。
back()：返回queue中最后一个元素的引用。如果queue是常量，就返回一个常引用；如果queue为空，返回值是未定义的。
push(const T& obj)：在queue的尾部添加一个元素的副本。这是通过调用底层容器的成员函数push_back()来完成的。
push(T&& obj)：以移动的方式在queue的尾部添加元素。这是通过调用底层容器的具有右值引用参数的成员函数push_back()来完成的。
pop()：移除queue头部的元素。注意，这个操作不返回被移除的元素，也不检查queue是否为空。在调用pop()之前，应确保queue不为空，否则可能会导致未定义行为。
empty()：检查queue是否为空。如果为空，返回true；否则返回false。
size()：返回queue中元素的数量。

3.需要注意的是:

queue的内部实现使用了底层容器来存储元素，并且只能通过特定的函数来访问和操作元素。默认情况下(官方)，底层容器的类型是deque，但也可以使用其他容器类型，如list。

总的来说，C++中的queue是一个简单但非常实用的数据结构，用于处理那些需要按照特定顺序（即先进先出）访问和操作元素的场景。

2、queue的简单接口应用

void test_queue()
{queue<int> qt;qt.push(1);qt.push(2);qt.push(3);qt.push(4);qt.push(5);while (!qt.empty()){cout << qt.front() << " ";qt.pop();}cout << endl;
}

3、queue的模拟实现

3.1、queue的结构一般的构建

一般方法的构建：

template<class T>
class queue {
private:T* elements; // 存储元素的数组  int front;   // 队列头部的索引  int rear;    // 队列尾部的下一个位置索引  int capacity; // 队列的容量  
};

3.2、queue的适配器模式构建

template<class T, class Container = list<T>>
class queue
{
private:Container _con;
};

3.3、queue的主要接口函数

void push(const T& x)
{_con.push_back(x);
}
void pop()
{_con.pop_front();
}
T& back()
{return _con.back();
}
const T& back() const
{return _con.back();
}
T& front()
{return _con.front();
}
const T& front() const
{return _con.front();
}
size_t size() const
{return _con.size();
}
bool empty() const
{return _con.empty();
}

4、queue的模拟实现完整代码

4.1、一般方式

#include <iostream>  
#include <stdexcept> // 用于抛出异常  template<class T>
class queue {
private:T* elements; // 存储元素的数组  int front;   // 队列头部的索引  int rear;    // 队列尾部的下一个位置索引  int capacity; // 队列的容量  
public:// 构造函数  queue(int c) {capacity = c;elements = new T[capacity];front = 0;rear = 0;}// 析构函数  ~queue() {delete[] elements;}// 检查队列是否为空  bool isEmpty() const {return front == rear;}// 检查队列是否已满  bool isFull() const {return (rear + 1) % capacity == front;}// 入队操作  void enqueue(const T& value) {if (isFull()) {throw std::out_of_range("Queue is full");}elements[rear] = value;rear = (rear + 1) % capacity;}// 出队操作  void dequeue() {if (isEmpty()) {throw std::out_of_range("Queue is empty");}front = (front + 1) % capacity;}// 访问队首元素  T& frontElement() {if (isEmpty()) {throw std::out_of_range("Queue is empty");}return elements[front];}// 获取队列大小  int size() const {return (rear - front + capacity) % capacity;}
};
// 使用示例  
int main()
{queue<int> q(5); // 创建一个容量为5的int类型队列  q.enqueue(1);q.enqueue(2);q.enqueue(3);std::cout << "Front element: " << q.frontElement() << std::endl;q.dequeue();std::cout << "New front element: " << q.frontElement() << std::endl;std::cout << "Queue size: " << q.size() << std::endl;return 0;
}

4.2、泛型模式

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

5、queue巩固练习题

5.1、最小栈

最小栈：在常数级时间内检索最小元素的栈
思路：

两个栈，一个存放原始数据，一个存放当前最小值(不断更新栈顶元素min)

class MinStack 
{
public:MinStack(){}//两个情况进值：//1.最开始空栈//2.更新栈顶min小值void push(int val){_st.push(val);if (_minst.empty() || val <= _minst.top()){_minst.push(val);}}void pop(){if (_minst.top() == _st.top()){_minst.pop();}_st.pop();}int top(){return _st.top();}int getMin(){return _minst.top();}stack<int> _st;stack<int> _minst;
};
int main()
{MinStack st;st.push(2);st.push(1);st.push(3);st.push(4);st.push(0);st.pop();cout << st.top() << endl;cout << st.getMin() << endl;return 0;
}

5.2、栈的匹配(栈的压入和弹出序列)

满足栈的压入与出栈序列合理。
意思就是出栈序列，可满足栈的入栈序列，即”先进后出“。
思路：

1.先把入栈序列入栈
2.栈顶元素和出栈序列是否匹配
a、如果匹配就持续出数据，直到栈为空为止
b、如果不匹配，继续入栈
3.结束标志：a、入栈序列走完了 b、栈走完了，也不匹配，不合法的序列

class Solution
{
public:bool IsPopOrder(vector<int>& pushV, vector<int>& popV){int pushi = 0, popi = 0;stack<int> st;while (pushi < pushV.size()){st.push(pushV[pushi++]);while (!st.empty() && st.top() == popV[popi]){++popi;st.pop();}}return st.empty();}
};int main()
{Solution sol;vector<int> pushV = { 1, 2, 3, 4, 5 };//vector<int> popV = { 5, 4, 3, 2, 1 };vector<int> popV = { 4, 5, 3, 2, 1 };//vector<int> popV = { 4, 3, 5, 1, 2 };// 检查出栈序列是否是可能的  bool isPossiblePopOrder = sol.IsPopOrder(pushV, popV);// 打印结果  cout << "Is the pop order possible? " << (isPossiblePopOrder ? "Yes" : "No") << endl;return 0;
}

5.3、逆波兰表达式求值 (后缀表达式)

操作数在操作符之后的表达式，比如：abcd-*+ — 遇见运算符就开始计算
思路：

利用栈，栈处理操作数和运算符的顺序关系优先级，遇到操作数就入栈，遇到操作数就出栈操作数，运算结果继续入栈，再继续下一个操作数。

class Solution
{
public:int evalRPN(vector<string>& tokens){stack<int> st;//写法2：setset<string> s = { "+","-","*","/" };for (auto& str : tokens){//1.操作数入栈，遇到运算符运算//写法1：穷举//if (str == "+" || "-" == str || "*" == str || "/" == str)//写法2：set -- 容器，搜索树if(s.find(str) != s.end()){//是操作符,根据栈的性质//先取的是右操作数，再是左操作数int right = st.top();st.pop();int left = st.top();st.pop();//运算后的结果入栈switch (str[0])//str[0] --- char整型与case参数匹配{case '+':st.push(left + right);//操作数顺序还原break;case '-':st.push(left - right);break;case '*':st.push(left * right);break;case '/':st.push(left / right);break;}}else{st.push(stoi(str));}}return st.top();}
};
int main()
{Solution sol;// 逆波兰表示法的表达式  vector<string> tokens = { "2", "1", "+", "3", "*" };// 计算表达式的值  int result = sol.evalRPN(tokens);// 打印结果  cout << "The result of the expression is: " << result << endl;return 0;
}

5.4、两个栈实现队列

实现用两个栈模拟实现队列的”先进先出“。
思路：

利用两个栈相互倒，从而满足队列的性质
即：一个push栈进数据，push栈倒数据到一个pop栈，让pop栈出数据。

class MyQueue {
public:MyQueue(){}void push(int x){_pushst.push(x);}int pop(){int retpop = peek();_popst.pop();return retpop;}int peek(){if (_popst.empty()){//倒数据while (!_pushst.empty()){_popst.push(_pushst.top());_pushst.pop();}}return _popst.top();}bool empty(){return _pushst.empty() && _popst.empty();}
private:stack<int> _pushst;stack<int> _popst;
};int main()
{MyQueue qt;qt.push(1);qt.push(2);qt.push(3);qt.push(4);qt.push(5);while (!qt.empty()){printf("%d ", qt.peek());qt.pop();}return 0;
}