【C++】浅谈Priority_queue和Deque＜容器适配器＞

背景知识（容器适配器）

适配器是一种设计模式(设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结)，该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口

STL标准库中stack和queue的底层结构

虽然stack和queue中也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和队列只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack和queue默认使用deque。

Priority_queue的介绍和使用

Priority_queue的介绍

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：
   ①empty()：检测容器是否为空
   ②size()：返回容器中有效元素个数
   ③front()：返回容器中第一个元素的引用
   ④push_back()：在容器尾部插入元素
   ⑤pop_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
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

priority_queue的模拟实现

#pragma once
#include
namespace GX
{
	template<class T,class Container = vector<T>,class Compare= less<T>>// Compare =greater
	class priority_queue
	{
	public:
		void Adjustdown(int root)
		{
			Compare com;
			int parents = root;
			child = parents * 2 + 1;
			if (child+1<_com.size()&&_con[child] > _con[child + 1])
			{
				child++;
			}
			while (child<_con.size())
			{
				if (_con[child] < _con[parents])//if(_con[child],_con[parents])
				{
					swap(_con[child], _con[parents]);
					parents = child;
					child = parents * 2 + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void Adjustup(int child)
		{
			Compare com;
			int parents = (child - 1) / 2;
			while (child>0)
			{
				if (_con[child] >_con[ parents])//if(_con[parents],_con[child])
				{
					swap(_con[parents],_con[ child]);
					child = parents;
					parents = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void push(const T& x)
		{
			_con.push.back(x);
			Adjustup(_con.size() - 1);
		}
		void pop()
		{
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			Adjustdown(0);
		}
		T& top()
		{
			return _con.front();
		}

		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}
//仿函数（优先级队列 priority）
template<class T>
struct less
{
	bool opreator(const T& x1,const T& x2 )
	{
		return x1 < x2;
	}
};
template<class T>
struct greater
{
	bool opreator(const T& x1, const T& x2)
	{
		return x1 > x2;
	}
};

Deque的介绍和使用

Deque的介绍

deque(双端队列)：是一种双开口的"连续"空间的数据结构，双开口的含义是：可以在头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素；与list比较，空间利用率比较高。

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：

图中，轻微类似与二维数组的结构，在中间区域一段空间开小空间然后通过每一段小空间去指向另外一段空间保存，每一段空间都有first last node cur first到last就相当于之前的capacity，cur则是遍历deque的，当走完其中一小段空间时候 node就会+1指向下一段空间，继续遍历下一段空间的cur，当插入小值往开空间，大值向后开空间，每一段基本是固定的capacity所以也可以通过操作符查找（类似于二维数组）

链接: deque文档.

为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back和pop_front操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1. stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
2. 在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。结合了deque的优点，而完美的避开了其缺陷。

缺陷

与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是必vector高的。
与list比较，其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。
deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构