【C++】STL——priority_queue的介绍和使用及模拟实现

priority_queue的介绍和使用及模拟实现

1.priority_queue的介绍和使用

priority_queue的介绍

1、优先级队列是一种**容器适配器**，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它所包含的元素中最大的。

2、其底层类似于堆，在堆中可以随时插入元素，并且只能检索最大堆元素(优先队列中位于顶部的元素)。

3、优先队列被实现为容器适配器，容器适配器即将特定容器类封装作为其底层容器类，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素。元素从特定容器的“尾部”弹出，其称为优先队列的顶部。

4、底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是其他特定设计的容器类。容器应该可以通过随机访问迭代器访问，并支持以下操作：

• empty()：检测容器是否为空
• size()：返回容器中有效元素个数
• front()：返回容器中第一个元素的引用
• push_back()：在容器尾部插入元素
• pop_back()：删除容器尾部元素

5、标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定的priority_queue类实例化指定容器类，则使用vector。

6、需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。

priority_queue的使用

优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。注意：默认情况下priority_queue是大堆。

函数声明	接口说明
priority_queue()/priority_queue(first,last)	构造一个空的优先级队列
empt()	检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false
top()	返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素
push()	在优先级队列中插入元素
pop()	删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

• priority_queue的定义方式：

使用vector作为底层容器，内部构造大堆结构

priority_queue<int, vector<int>, less<int>> q1;

使用vector作为底层容器，内部构造小堆结构

priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2;

不指定底层容器和内部需要构造的堆结构。（编译器默认大堆处理）

priority_queue<int> pq;

• 测试如下：

void test_priority_queue()
{
	// 默认是大的优先级高 ——> 默认给的仿函数为less
	priority_queue<int> pq;
	// 控制小的优先级高 ——> 给一个greater的仿函数
	//priority_queue, greater> pq;
	pq.push(3);
	pq.push(1);
	pq.push(7);
	pq.push(9);
	pq.push(3);

	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << " "; // 1 3 3 7 9
		pq.pop();
	}
}

优先级队列默认大的优先级高，传的是less仿函数，底层是一个大堆，想控制小的优先级高，传greater仿函数，底层是一个小堆。

2. 仿函数

概念：

仿函数（Functor）又称为函数对象（Function Object）是一个能行使函数功能的类。

仿函数的语法几乎和我们普通的函数调用一样，不过作为仿函数的类，都必须重载 operator() 运算符。因为调用仿函数，实际上就是通过类对象调用重载后的 operator() 运算符。

如果编程者要将某种“操作”当做算法的参数，一般有两种方法：

（1）一个办法就是先将该“操作”设计为一个函数，再将函数指针当做算法的一个参数。

（2）将该“操作”设计为一个仿函数（就语言层面而言是个 class），再以该仿函数产生一个对象，并以此对象作为算法的一个参数。很明显第二种方法会更优秀，因为第一种方法扩展性较差，当函数参数有所变化，则无法兼容旧的代码，在我们写代码时有时会发现有些功能代码，会不断地被使用。为了复用这些代码，实现为一个公共的函数是一个解决方法。不过函数用到的一些变量，可能是公共的全局变量。引入全局变量，容易出现同名冲突，不方便维护。这时就可以使用仿函数了，写一个简单类，除了维护类的基本成员函数外，只需要重载 operator() 运算符 。这样既可以免去对一些公共变量的维护，也可以使重复使用的代码独立出来，以便下次复用。而且相对于函数更优秀的性质，仿函数还可以进行依赖、组合与继承等，这样有利于资源的管理。如果再配合模板技术和 Policy 编程思想，则更加威力无穷，大家可以慢慢体会。Policy 表述了泛型函数和泛型类的一些可配置行为（通常都具有被经常使用的缺省值）。STL 中也大量涉及到仿函数，有时仿函数的使用是为了函数拥有类的性质，以达到安全传递函数指针、依据函数生成对象、甚至是让函数之间有继承关系、对函数进行运算和操作的效果。比如 STL 中的容器 set 就使用了仿函数 less ，而 less 继承的binary_function，就可以看作是对于一类函数的总体声明，这是函数做不到的。

如下内置类型比较大小关系：

// 仿函数 ——> 定义的对象可以像函数一样去地调用
struct Less
{
	bool operator()(int x, int y)
	{
		return x < y;
	}
};

struct Greater
{
	bool operator()(int x, int y)
	{
		return x > y;
	}
};

void test1()
{
	Less less; // Less -> 仿函数类型, less -> 仿函数对象
	cout << less(2, 3) << endl; 
	cout << less.operator()(2, 3) << endl;
	/* 这里我们会以为less是函数名或函数指针，其实并不是，但是它可以像函数一样去调用
	 * 它的本质被转换成less.operator(),它可以像函数一样去使用的对象，
	 * 这是C++为了避免使用C语言中复杂的函数指针，所以提出了仿函数 */
	// 如下同理
	Greater gt; 
	cout << gt(2, 3) << endl;
	cout << gt.operator()(2, 3) << endl;

}

加上模板，不限于整形的比较：

template<class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& x, const T& y)
	{
		return x < y;
	}
};

template<class T>
struct Greater
{
	bool operator()(const T& x, const T& y)
	{
		return x > y;
	}
};

void test2()
{
	Less<int> less;
	cout << less(2, 3) << endl;
	cout << Less<int>()(3, 2) << endl; // 匿名对象
	cout << Less<double>()(1.1, 2.3) << endl; // 匿名对象
}

我们以之前实现过的自定义类型——日期类为例，观察仿函数的使用：

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	bool operator<(const Date& d) const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}

	bool operator>(const Date& d) const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day << endl;
	return _cout;
}

void test3()
{
	//priority_queue pq;
	priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> pq;
	pq.push(Date(2022, 12, 18));
	pq.push(Date(2023, 6, 18));
	pq.push(Date(2023, 1, 21));

	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top();
		pq.pop();
	}
	cout << endl;
}

注意：我们插入的是日期类的匿名对象，生命周期只在他所在的那一行。我们在调用仿函数时，必须重载日期类的大小比较，否则无法编译成功。内置类型的大小比较并不适用于自定义类型，所以必须重载自定义类型的大小比较。

但是如果使用的是日期类的指针，这样就无法使用我们定义的仿函数，这时候比较的是指针地址的大小，不符合我们的要求。这里我们可以自己再定义一个仿函数，支持对日期类的指针解引用。

class Date
{
	friend struct LessPDate;
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	bool operator<(const Date& d)const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}

	bool operator>(const Date& d)const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day << endl;
	return _cout;
}

struct LessPDate
{
	bool operator()(const Date* d1, const Date* d2) const
	{
		// return *d1 < *d2; 
		return (d1->_year < d2->_year) ||
			(d1->_year == d2->_year && d1->_month < d2->_month) ||
			(d1->_year == d2->_year && d1->_month == d2->_month && d1->_day < d2->_day);
	}
};

// 如果数据类型，不支持比较，或者比较的方式，不是你想要的
// 那么可以自己实现仿函数，按照自己想要的方式去比较，控制比较逻辑
void test4()
{
	priority_queue<Date*, vector<Date*>, LessPDate> pq;
	pq.push(new Date(2022, 12, 18));
	pq.push(new Date(2023, 6, 18));
	pq.push(new Date(2023, 1, 21));

	while (!pq.empty())
	{
		cout << *pq.top();
		pq.pop();
	}
	cout << endl;
}

3.堆的调整算法

堆的向上调整算法

//向上调整算法
void adjust_up(size_t child)
{
	// Compare com; // 局部对象， 构造函数啥也不做，仿函数没有成员变量
	size_t parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		//if (_con[child] > _con[parent]) <=> if(_con[parent], _con[child])
		if(_com(_con[parent], _con[child]))
		{
			swap(_con[child], _con[parent]); // 不需要&_con[child]，引用
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

堆的向下调整算法

//向下调整算法
void adjust_down(size_t parent)
{
	//Compare com;
	size_t child = parent * 2 + 1;
	while (child < _con.size())
	{
		// if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
		if (child + 1 < _con.size() && _com(_con[child], _con[child + 1]))
		{
			child++;
		}
		//if (_con[child] > _con[parent])
		if (_com(_con[parent], _con[child]))
		{
			swap(_con[child], _con[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

4.priority_queue的模拟实现

上文我们已经实现好了仿函数，向上调整建堆，向下调整建堆。我们现在可以模拟实现优先级队列了。

• 总代码如下：

namespace priority_queue_realize
{
	template<class T>
	struct Less
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T>
	struct Greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};


	// template >
	template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = Less<T>>
	class priority_queue
	{
	private:
		void adjust_up(size_t child)
		{
			// Compare com; // 局部对象， 构造函数啥也不做，仿函数没有成员变量
			size_t parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//if (_con[child] > _con[parent]) <=> if(_con[parent], _con[child])
				if(_com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]); // 不需要&_con[child]，引用
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}

		void adjust_down(size_t parent)
		{
			//Compare com;
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				// if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
				if (child + 1 < _con.size() && _com(_con[child], _con[child + 1]))
				{
					child++;
				}
				//if (_con[child] > _con[parent])
				if (_com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}

		}
	public:
		priority_queue()
		{}

		template<class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
			:_con(first, last)
		{
			for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i < _con.size(); i++)
			{
				adjust_down(i);
			}
		}

		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			adjust_up(_con.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			assert(!_con.empty());
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			adjust_down(0);
		}

		const T& top() const
		{
			// assert(_con.empty());
			return _con[0];
		}

		size_t size() const
		{
			return _con.size;
		}

		bool empty() const
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
		Compare _com;
	};

	void test()
	{
		// 默认是大的优先级高 ——> 默认给的仿函数为less
		priority_queue<int> pq;
		// 控制小的优先级高 ——> 给一个greater的仿函数
		//priority_queue, greater> pq;
		pq.push(3);
		pq.push(1);
		pq.push(7);
		pq.push(9);
		pq.push(3);

		while (!pq.empty())
		{
			cout << pq.top() << " ";
			pq.pop();
		}
		cout << endl;
	}
}

扩展：less、greater是C++库里面提供的。

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