C++初阶----priority_queue模拟实现+仿函数

1）优先队列

1. 介绍

参考：priority_queue

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. 操作

函数	功能
empty	测试容器是否为空
size	返回大小
top	访问顶部元素
pop	插入元素
push	移除顶部元素

3. 模拟实现

需要回忆的知识：堆向上调整算法和堆向下调整算法

①结构

包含一个Container类型的成员变量

/*template , 
	class Compare = std::less >*/
	//vector里将T typedef为了type_value
template <class T, class Container = std::vector<T>>
class priority_queue
{
public:
	priority_queue()//默认构造
	{}
	template <class InputIterator>
	priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)//迭代器区间构造
private:
   Container c;
   //Compare comp;
};

②构造函数

默认构造和迭代器区间构造

priority_queue()//默认构造
{}
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)//迭代器区间构造
{    
   while (first != last)//拷贝
   {
       c.push_back(*first);
       first++;
   }
   for (int i = (c.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
   //建堆（向下调整算法的前提是左右子树是堆）i从最后一个非叶子节点开始
       AdjustDown(i);
}

③成员函数（empty，size，top）

bool empty() const
{
   return c.empty();
}
size_t size() const
{
   size_t count = 0;
   for (auto e : c)
       count++;
   return count;
}
const T& top() const
{
   return c[0];
}

④成员函数（push pop）

1. pop是删除堆顶元素(优先级最高的)（库里默认是大堆(less)）要让小数优先级更高可以传一个仿函数
   参考topK算法每次pop的时候先把堆顶和最后一个元素交换，在用队向下调整算法调整堆(子树都满足堆)
2. push就是先push_back到尾部，再向上调整（向上调整算法只会改变一条路径）

void push(const T& x)
{
   c.push_back(x);
   AdjustUp(c.size() - 1);//向上调整算法只会改变一条路径
}
void pop()
{
   //参考topK算法
   std::swap(c[0], c[size() - 1]);
   c.pop_back();//删除尾部的是交换后的也是优先级最高的(大堆为例)
   AdjustDown(0);//除了堆顶，其他的子树都保证是堆
}

2）仿函数

C++中的仿函数效果类似于C语言中使用函数指针和回调函数
具体参考：C语言quick sort的实现（quicksort函数的最后一个参数是函数指针）

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仿函数是模板函数，也可以叫做函数对象，本质就是其实现就是类中实现一个operator() ，其速度比一般函数要慢
在priority_queue里用的仿函数less来做模板的最后一个缺省参数

template <class T, class Container = vector<T>,
 					class Compare = less<typename Container::value_type> >
class priority_queue;

它在这里的作用就是修改向上/向下调整算法的父子节点的比较条件 (大于（小堆），小于（大堆）)
下面是具体实现：

template <class T>
struct Less //大堆 堆顶最大
{
//public：
   bool operator()(const T& x,const T& y)
   {
       return x < y;
   }
};
template <class T>
struct Greater //小队 堆最小
{
//public：
   bool operator()(const T& x, const T& y)
   {
       return x > y;
   }
};

所以：

1. 我们在模拟实现的时候把priority_queue的模板改为：
   template , class Compare = std::less >

2. 多定义一个成员变量Compare comp用于算中的比较

3. 在堆向上/向下调整算法中将所有节点之间的比较改为comp(c[parent], c[child])或comp(c[child], c[child+1])

仿函数(变异版本)

例子：（通过仿函数控制比较方式）
有一个Date类 （已经重载了输出<<和比较<）

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);
	}
	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);
//	friend class PDateLess;
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
	_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day<<endl;
	return _cout;
}

而实例化priority_queue的时候将Date*做为类型传入的（默认使用的是fonctional.h里的less仿函数）

priority_queue<Date*, vector<Date*>> pq;
pq.push(new Date(2023, 11, 24));
pq.push(new Date(2021, 10, 24));
pq.push(new Date(2021, 12, 24));
pq.push(new Date(2022, 1, 24));
cout<< (*pq.top()) << endl;

输出的是2022-1-24而不是2023-11-24，因为优先队列里存的是地址，less函数对象比较的也是地址，优先级最高的是地址最大的即最后new的对象Date(2022, 1, 24)
所以这里需要我们自己实现一个针对这种情况的PDataLess函数对象：

class PDateLess
{
public:
	bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
	{
		return *p1 < *p2;
	}
};

同时在Date类里添加PDateLess友元：friend class PDateLess;
实例化priority_queue时传入的参数应该为：priority_queue, PDateLess> pq;

3） typename？？？？ T？？？特殊情况（hash 红黑树部分）