本文实例讲述了C++循环队列实现模型。分享给大家供大家参考。具体分析如下：

前段时间在知乎上看到这样一个小题目：

用基本类型实现一队列，队列要求size是预先定义好的的。而且要求不可以使用语言自带的api，如C++的STL。普通的实现很简单，但是现在要求要尽可能的时间和空间复杂度的优化，要和语言自带的api比较时间和空间。这个队列还要支持如下的操作：

constructor: 初始化队列

enqueue:入队

dequeue:出队

队列是一种基本的数据结构，在平常的应用中十分广泛，多数情况队列都是用链表实现的。但是对于本题而言，用链表实现就有这样一个问题：由于每个结点都存在至少一个指向前一个结点或后一个结点的指针，这就带来了空间复杂度的加大，所以并不太适合要求。

这个时候我想到了boost中的boost::circular_buffer，它是通过类似于数组的底层结构实现的一个循环buffer。而数组的优点是空间复杂度够小(除去维持数据结构的索引项，空间复杂度为线性)，再实现成循环结构可以最大化的利用空间。而且在队列这样一种只在前后端插入删除的情况下，其push和pop的时间复杂度也只有O(1)。

基本实现如下：

复制代码 代码如下:
#ifndef __CIRCULAR_QUEUE_H__
#define __CIRCULAR_QUEUE_H__

#include <stddef.h>

template<typename T>
class circular_queue
{
public:
explicit circular_queue(size_t maxsize)
: maxsize_(maxsize + 1), head_(0), rear_(0)
{
array_ = new T[maxsize_];
}

circular_queue(size_t maxsize, const T& val)
: maxsize_(maxsize + 1), head_(0), rear_(0)
{
array_ = new T[maxsize_];
for (size_t i = 0; i != maxsize; ++i)
{
array_[i] = val;
}
rear_ = maxsize;
}

circular_queue(const circular_queue& rhs)
: maxsize_(rhs.maxsize_), head_(rhs.head_), rear_(rhs.rear_)
{
array_ = new T[maxsize_];
for (int i = 0; i != maxsize_; ++i)
{
array_[i] = rhs.array_[i];
}
}

~circular_queue()
{
delete [] array_;
}

circular_queue& operator=(const circular_queue& rhs)
{
if (this == &rhs)
{
return *this;
}
delete [] array_;
maxsize_ = rhs.maxsize_;
head_ = rhs.head_;
rear_ = rhs.rear_;
array_ = new T[maxsize_];
for (int i = 0; i != maxsize_; ++i)
{
array_[i] = rhs.array_[i];
}
return *this;
}

bool empty() const
{
return head_ == rear_;
}

size_t size() const
{
return (rear_ - head_ + maxsize_) % maxsize_;
}

T& front()
{
return array_[head_];
}

const T& front() const
{
return array_[head_];
}

void push(const T& val)
{
if ((rear_ + 1) % maxsize_ != head_)
{
array_[rear_] = val;
rear_ = (rear_ + 1) % maxsize_;
}
}

void pop()
{
if (head_ != rear_)
{
head_ = (head_ + 1) % maxsize_;
}
}

private:
size_t maxsize_;
int head_;
int rear_;
T* array_;
};

#endif

队列长度 = 数组长度 - 1

预留了一个单位的数组元素空间作为队尾标记。

这个只是简陋的实现，没有考虑到一些情况，比如线程安全、STL算法，函数对象的兼容等。代码只是简单的测试了一下，如有错误欢迎指正:)

总的来说，这种思路的循环队列有以下优点：

1、使用固定的内存，不需要隐式或意外的内存分配。

2、从前端或后端进行快速的常量时间的插入和删除元素。

3、快速的常量时间的对元素进行随机访问。(如果需要的话可以定义operator[])

4、适用于实时和对性能有严格要求的应用程序。

还可以进一步扩展，当队列满的时候，从一端插入则覆盖冲洗掉另一端的数据，这样的一个模型可以应用于这些场合：

保存最近接收到的取样数据，在新的取样数据到达时覆盖最旧的数据。
一种用于保存特定数量的最后插入元素的快速缓冲。
高效的固定容量FIFO(先进先出)或LIFO(后进先出)队列，当队列满时删除最旧的(即最早插入的)元素。

希望本文所述对大家的C++程序算法设计有所帮助。