C++优先级队列priority_queue详解及其模拟实现

前言

在优先队列中，优先级高的元素先出队列，并非按照先进先出的要求，类似一个堆(heap)。其模板声明带有三个参数，priority_queue, 其中Type为数据类型，Container为保存数据的容器，Functional为元素比较方式。Container必须是用数组实现的容器，比如 vector, deque. STL里面默认用的是vector. 比较方式默认用operator< , 所以如果把后面两个参数缺省的话，优先队列就是大顶堆，队头元素最大。

一、priority_queue的介绍和使用

1、priority_queue的介绍

优先级队列文档

1. 优先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. 此上下文类似于堆，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。

2、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()	构造一个空的优先级队列
empty( )	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(x)	在优先级队列中插入元素x
pop()	删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

用法：

1. 默认情况下，priority_queue是大堆。

#include 
#include 
#include  // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
	// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
	vector<int> v{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
	priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v)
		q1.push(e);
	cout << q1.top() << endl;
	// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;
}

2. 如果在priority_queue中放自定义类型的数据，用户需要在自定义类型中提供> 或者< 的重载。

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)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
void TestPriorityQueue()
{
	// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
	priority_queue<Date> q1;
	q1.push(Date(2018, 10, 29));
	q1.push(Date(2018, 10, 28));
	q1.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q1.top() << endl;
	// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
	priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2018, 10, 29));
	q2.push(Date(2018, 10, 28));
	q2.push(Date(2018, 10, 30));
	cout << q2.top() << endl;
}

二、priority_queue模拟实现

通过对priority_queue的底层结构就是堆，因此此处只需对对进行通用的封装即可。

priority_queue.h

namespace my_priority_queue
{
	
	//优先级队列

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

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

	template<class T, class Container = std::vector<int>, class Compare = less<T>>
	class priority_queue
	{
	private:

		//大堆 <  小堆 >

		void AdjustUp(int child)
		{
			Compare comFunc;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//if (_con[patent] < _con[child])
				if (comFunc(_con[parent], _con[child]))
				{
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}

			}
		}

		void AdjustDown(int parent)
		{
			Compare comFunc;
			int child = parent * 2 + 1;//默认左孩子
			while (child < _con.size())
			{
				if (child + 1 < _con.size() && comFunc(_con[child], _con[child + 1]))
				{
					++child;
				}

				if (comFunc(_con[parent], _con[child]))
				{
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
	public:
		priority_queue(const Compare& comFunc = Compare())
			:_comFunc(comFunc)
		{}

		template <class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comFunc = Compare())
			: _comFunc(comFunc)
		{
			while (first != last)
			{
				_con.push_back(*first);
				++first;
			}

			//建堆
			for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
			{
				AdjustDown(i);
			}
		}

		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);

			AdjustUp(_con.size() - 1);
		}

		void pop()
		{
			assert(!_con.empty());

			std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();

			AdjustDown(0);
		}

		const T& top()
		{
			return _con[0];
		}

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}

	private:
		Container _con;
		Compare _comFunc;
	};
}