手写 std::queue

基于双端容器实现先进先出适配器，并讨论 front/back、关闭语义与后续阻塞队列的关系。

本系列代码使用 C++20 和 oc::handmade 命名空间，目标是解释实现机制、复杂度和工程边界，不是替代标准库。普通容器与缓存核心不内置互斥锁；这不代表 lock-free。

一、学习目标

实现 FIFO 适配器
保持接口与底层容器复杂度一致
为有界阻塞队列建立非并发基线

二、前置条件

完成 deque 和 stack 篇。

Linux/macOS：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
cmake --build build -j
ctest --test-dir build --output-on-failure

Windows PowerShell：

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
cmake --build build --config Debug
ctest --test-dir build -C Debug --output-on-failure

三、问题与设计选择

入队调用 push_back，出队调用 pop_front，front 是最早元素，back 是最新元素。

这里刻意保留一条边界：教学实现覆盖构造、复制移动、核心修改、查找和迭代契约，但不复刻标准库全部重载、ABI、constexpr、异构查找或节点句柄。

四、内存布局与核心不变量

若没有删除，第 i 次成功入队的元素一定早于第 i+1 次入队的元素出队。

每个修改操作都按“准备资源 → 构造新状态 → 提交连接或指针 → 清理旧状态”的顺序设计。提交点之前发生异常，应保持原对象可继续使用；无法提供强保证时，会在接口说明中明确基本保证。

五、核心实现

template<class T, class Container = deque<T>>
class queue {
    Container data_;
public:
    T& front() { return data_.front(); }
    T& back() { return data_.back(); }
    void push(T value) { data_.push_back(std::move(value)); }
    void pop() { data_.pop_front(); }
    bool empty() const noexcept { return data_.empty(); }
};

上面先聚焦最容易写错的核心步骤；若本篇对应一个独立组件，下一节给出统一工程中的完整教学实现。代码没有放入 std 命名空间，避免未定义行为和名称冲突。

六、完整教学实现

下面是统一工程中经过 GCC、Clang、GoogleTest 和 Sanitizer 验证的完整组件。它依赖前序文章已经实现的公共类型以及头文件中的标准库 #include。

namespace oc::handmade {

template<class T, class Container = deque<T>>
class queue {
    Container data_;
public:
    bool empty() const noexcept { return data_.empty(); }
    std::size_t size() const noexcept { return data_.size(); }
    T& front() { return data_.front(); }
    const T& front() const { return data_.front(); }
    T& back() { return data_.back(); }
    const T& back() const { return data_.back(); }
    void push(const T& value) { data_.push_back(value); }
    void push(T&& value) { data_.push_back(std::move(value)); }
    template<class... Args>
    T& emplace(Args&&... args) { return data_.emplace_back(std::forward<Args>(args)...); }
    void pop() { data_.pop_front(); }
};

}  // namespace oc::handmade

生产级标准库还要处理完整 allocator 传播、全部重载、ABI、调试迭代器和平台特化；这里保留的是能够独立推导核心数据结构的教学边界。

七、使用示例与输出

预期输出或状态：

push 10、20、30 后连续 front/pop 的输出为 10 20 30。

示例必须在文章对应的测试目标中实际编译。涉及顺序的输出只依赖接口明确承诺的顺序；无序容器不会把某次桶顺序写成稳定结果。

八、复杂度与失效规则

操作	复杂度	说明
push/emplace	摊还 O(1)	尾部插入
pop	O(1)	头部删除
front/back	O(1)	访问两端
size	O(1)	转发

复杂度中的 O(1) 若标记为“平均”或“摊还”，不能在面试中省略限定词。任何重新分配、节点删除、rehash 或缓存淘汰都必须单独说明迭代器、引用与指针是否失效。

九、异常安全与资源管理

获取资源后立即交给 RAII 对象或明确记录已构造数量。
用户类型构造、复制、移动、比较器和哈希器都可能抛异常。
只有在所有后续步骤不会失败时才修改不可回滚的链接。
析构、释放和关闭路径不得抛异常。
并发包装通过回调在锁内访问，避免返回保护对象的裸引用。

十、常见错误

1. 用 vector.erase(begin) 导致每次 O(n)

用 vector.erase(begin) 导致每次 O(n)会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

2. 混淆 back 与下一次出队元素

混淆 back 与下一次出队元素会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

3. 把普通 queue 当作线程安全队列

把普通 queue 当作线程安全队列会破坏本篇建立的契约。调试时先检查核心不变量，再缩小到触发该状态的最短操作序列。

十一、面试追问

为什么 queue 通常默认基于 deque？
循环数组队列如何区分空和满？
FIFO 与公平调度是否等价？

回答时先说数据结构不变量，再给复杂度，最后说明异常、迭代器或并发边界，通常比背诵结论更有说服力。

十二、练习与自测

改用循环缓冲实现底层容器
增加 try_pop
写入队出队状态机测试

自测标准：能够不看代码画出内存或节点关系，解释一次成功操作和一次失败回滚，并写出至少一个会击穿错误实现的测试。

十三、官方资料与延伸阅读

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