queue

queue

std::queue 是 STL 中的容器适配器（Container Adapter），用来实现先进先出（FIFO）的队列行为。

它是对一个底层序列容器的封装，默认用 deque 实现，并只暴露有限的接口。

底层原理

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

• queue 默认底层是 deque，也可以替换为支持 front(), back(), push_back(), pop_front() 的容器，如 list。
• 它只暴露队列语义接口：入队/出队/访问队首尾，而不提供迭代器遍历等接口。

常用接口

方法	含义
push(val)	元素入队（尾部）
pop()	出队（移除头部元素）
front()	访问队头元素
back()	访问队尾元素
empty()	是否为空
size()	当前元素个数
emplace(val)	原地构造入队（C++11）

示例代码

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
    queue<int> q;
    q.push(10);
    q.push(20);
    q.push(30);

    while (!q.empty()) {
        cout << q.front() << " "; // 10 20 30
        q.pop();
    }
}

应用场景

• 广度优先搜索（BFS）：最典型用途
• 多线程任务调度（配合互斥锁）
• 消息队列/生产者-消费者模型
• 数据缓冲区

常见问题

1. queue 是线程安全的吗？
   ❌ 默认不是。多线程使用需加锁（如 mutex）。
2. 和 deque 区别？
   queue 不能访问中间元素、不支持随机访问，只暴露队列语义。
3. 底层容器有哪些可选？
   默认 deque，可用 list。不支持 vector（没有 pop_front()）。
4. 能否遍历 queue？
   ❌ 不行，需手动出队（复制一份出队打印，原队列会被清空）。
5. 为什么不直接用 deque？
   queue 更安全，只暴露 FIFO 接口，防止误用。

注意事项

• pop() 不返回值。先用 front() 获取元素再 pop。

  int x = q.front();
  q.pop();
  

• 不支持遍历（无 begin() / end()）

• 默认底层是 deque，不能改成 vector（缺 pop_front()）

queue 与相关容器对比

容器	行为模型	插入位置	删除位置	典型操作复杂度	支持遍历
queue	FIFO	尾部	头部	O(1)	❌
stack	LIFO	尾部	尾部	O(1)	❌
deque	双端	两端	两端	O(1)	✅

queue 适配器的结构

template<class T, class Container = deque<T>>
class queue {
protected:
    Container c;
public:
    void push(const T& val) { c.push_back(val); }
    void pop() { c.pop_front(); }
    T& front() { return c.front(); }
    T& back() { return c.back(); }
    bool empty() const { return c.empty(); }
    size_t size() const { return c.size(); }
};

queue 定义完整列表

只要用已有容器封装并限制其接口，就能实现一个先进先出的队列（queue）。例如使用 deque，并禁止前端插入与尾端删除，就能形成 queue。SGI STL 默认用 deque 作为 queue 的底层容器，因此 queue 的实现非常简单，是一种容器适配器（adapter），不被归类为普通容器（container）。

// queue 容器适配器模板，默认以 deque<T> 作为底层容器
template <class T, class Sequence = deque<T> >
class queue {
    // 以下两个友元函数用于比较两个 queue 是否相等或小于
    // __STL_NULL_TMPL_ARGS 会展开为 <>，这是为了解决旧编译器的模板兼容性问题
    friend bool operator== __STL_NULL_TMPL_ARGS (const queue& x, const queue& y);
    friend bool operator<  __STL_NULL_TMPL_ARGS (const queue& x, const queue& y);
public:
    // 类型定义，直接复用底层容器的定义
    typedef typename Sequence::value_type        value_type;
    typedef typename Sequence::size_type         size_type;
    typedef typename Sequence::reference         reference;
    typedef typename Sequence::const_reference   const_reference;

protected:
    Sequence c;  // 实际承载元素的底层容器（默认是 deque<T>）

public:
    // 判断 queue 是否为空
    bool empty() const { return c.empty(); }

    // 返回 queue 中元素数量
    size_type size() const { return c.size(); }

    // 访问队头元素（可以修改）
    reference front() { return c.front(); }

    // 访问队头元素（只读）
    const_reference front() const { return c.front(); }

    // 访问队尾元素（可以修改）
    reference back() { return c.back(); }

    // 访问队尾元素（只读）
    const_reference back() const { return c.back(); }

    // 插入元素到队尾（入队）
    void push(const value_type& x) { c.push_back(x); }

    // 移除队头元素（出队）
    void pop() { c.pop_front(); }
};

// 比较两个 queue 是否相等（元素逐一比较）
template <class T, class Sequence>
bool operator==(const queue<T, Sequence>& x, const queue<T, Sequence>& y) {
    return x.c == y.c;
}

// 比较两个 queue 的大小（按元素字典序比较）
template <class T, class Sequence>
bool operator<(const queue<T, Sequence>& x, const queue<T, Sequence>& y) {
    return x.c < y.c;
}

• queue 是 容器适配器（container adapter），不是标准容器（如 vector、deque、list）。
• 它通过封装一个底层容器（默认是 deque）来实现「先进先出」的行为。
• 所有操作如 push、pop、front、back 都直接调用底层容器的对应接口。
• 实现非常简洁，只是对底层容器做了接口限制和方向控制。
• 除了 deque，list 也是双向开口的结构。前面 queue 使用的底层容器接口（如 empty、size、back、push_back、pop_back）在 list 中也都具备。

queue 没有迭代器

queue 所有元素必须遵循「先进先出」原则，只有最前面的元素可以被访问。它不支持遍历操作，也不提供迭代器。