【C++】第八章:STL之priority_queue的使用和模拟实现

一、priority_queueu的使用

1.priority_queue的介绍

优先队列是一种容器适配器，默认情况下STL（头文件是）中使用vector作为其底层的数据结构，也就是本质上priority_queue就是vector，然后再vector的基础上添加一些算法并将其封装成接口对外暴露。而其中的算法是调整堆的算法，所以在C++中priority_queue就是堆，而且默认情况下是大根堆。

2.priority_queue的定义

①定义大根堆

priority_queue<int> heap; // 默认就是大根堆
priority_quueue<int, vector<int>, less<int>> heap;

②定义小根堆

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

3.priority_queue的常用接口

测试代码：

#include 

using namespace std;

int main()
{
    priority_queue<int> heap;
    heap.push(1);
    heap.push(2);
    heap.push(3);
    heap.push(4);
    while (!heap.empty()) {
        cout << heap.top() << ' '; // 将堆中的所有元素弹出
        heap.pop();
    }
    return 0;
}

二、priority_queue的模拟实现

既然priority_queue是堆，所以我们要模拟实现priority_queue就一定了解调整堆的算法，而其中最最重要的两个算法就是：将元素插入堆时使用的向上调整法shiftUp()和删除堆顶元素的向下调整算法shiftDown()。

调整堆算法-shiftUp()-shiftDown()

shiftUp()算法

图示

代码实现：

// 大根堆的向上调整算法
void shiftUp(vector<int>& arr, int child) {
    while (child > 0) {
        int parent = (child - 1) / 2;
        if (arr[parent] < arr[child]) {
            swap(arr[parent], arr[child]);
        } else {
            break;
        }
        child = parent;
    }
}

shiftDown()算法

图示：

代码实现：

// 大根堆的向下调整算法
void shiftDown(vector<int>& arr, int parent) {
    while (parent * 2 + 1 < arr.size()) {
        int child = parent * 2 + 1;
        if (child + 1 < arr.size() && arr[child] < arr[child + 1])
            child ++;
        if (arr[child] > arr[parent]) {
            swap(arr[child], arr[parent]);
            parent = child;
        } else {
            break;
        }
    }
}

仿函数

在使用priority_queue的时候，模板的第一个参数是容器中元素的类型，第二个参数是容器适配器底层封装的数据结构，第三个参数是仿函数。

**仿函数就是行为类似于函数的对象，所谓函数行为就是“可以使用小括号传递参数，并调用对象中重载的operator()成员函数。**所以说仿函数的本质就是一个对象，并且对象中的operator()被特殊地处理过了，我们可以在operator（）中写原本我们想要在函数内部实现的内容。

那为什么要写一个类并重载它的operator()，而不是直接写一个函数去调用呢？

在一般情况下，我们如果直接调用函数，肯定是编写一个函数比较方便。因为如果想要使用仿函数一定需要写一个类，然后定义一个对象才可以使用。

举个例子：

struct Add { // 不方便
    int operator() (int a, int b) {
        return a + b;  
    }
};

int add(int a, int b) { // 方便
    return a + b;
}

int main() {
    Add add1;
    cout << add1(1, 2) << endl; // 调用仿函数
    cout << add(1, 2) << endl; // 调用函数
    return 0;
}

但是如果我们想要传递一个函数到另一个函数中，这是我们不得不使用函数指针，然后利用函数指针在另一个函数中调用这个函数。但是不得不说函数指针不好记，而且不好用。这时就体现出了仿函数的优点：我们如果想要使用相同的功能，只需要传递一个对象，然后在另一个函数中只需要对象名(参数)就可以调用仿函数了，这样就方便了不少。

举个例子：

struct Add {
    int operator() (int a, int b) {
        return a + b;  
    }
};

int addFunc(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 在func函数中调用仿函数实现a + b
int func(int a, int b, Add& add) {
    return add(a, b);
}
// 在func函数中使用函数指针调用addFunc实现a + b
int func(int a, int b, int(*add)(int, int)) {
    return add(a, b);
}

int main() {
    Add add;
    cout << func(1, 2, add); // 传递类对象调用仿函数函数
    
    cout << func(1, 2, addFunc); // 传递函数调用函数
    return 0;
}

模拟实现

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

namespace zhy
{
    // less和greater仿函数
    template<class T>
    struct less {
        bool operator() (const T& left, const T& right) {
            return left < right;
        }
    };

    template<class T>
    struct greater {
        bool operator() (const T& left, const T& right) {
            return left > right;
        }
    };

    template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>
    class priority_queue {
    public:
        priority_queue() {}
		// 利用迭代器范围初始化建堆
        template<class InputIterator>
        priority_queue(InputIterator first, InputIterator last) {
            while (first != last) {
                container.push_back(*first);
                first ++;
            }
            buildHeap(container);
        }
		// 判空
        bool empty() const {
            return container.empty();
        }
		// 堆中元素个数
        int size() const {
            return container.size();
        }
		// 堆顶元素
        const T& top() const {
            return container.front();
        }
		// 向堆中插入元素
        void push(const T& val) {
            // 向上调整法
            container.push_back(val);
            shiftUp(container, size() - 1);
        }
		// 弹出堆顶元素
        void pop() {
            // 向下调整法
            swap(container[0], container.back());
            container.pop_back();
            shiftDown(container, 0);
        }

    private:
        Container container;
        Compare compare;

    private:
        // 插入元素使用向上调整法
        void shiftUp(Container& con, int child) {
            while (child > 0)
            {
                int parent = (child - 1) >> 1;
                // 使用仿函数比较
                if (compare(con[parent], con[child])) {
                    swap(con[parent], con[child]);
                } else {
                    break;
                }
                child = parent;
            }
        }
		// 删除元素使用向下调整法
        void shiftDown(Container& con, int parent) {
            
            while (parent * 2 + 1 < size()) {
                int child = parent * 2 + 1;
                // 使用仿函数比较
                if (child + 1 < size() && compare(con[child], con[child + 1]))
                    child ++;
                // 使用仿函数比较
                if (compare(con[parent], con[child])) {
                    swap(con[child], con[parent]);
                    parent = child;                    
                } else {
                    break;
                }
            }
        }
		// 建堆
        void buildHeap(Container& con) {
            int pos = (size() - 2) / 2;
            while (pos >= 0) {
                shiftDown(con, pos);
                pos --;
            } 
        }

    };
} // namespace zhy