C++初阶-priority_queue（优先级队列）的使用与模拟实现
priority_queue的使用与模拟实现
- 一、priority_queue的介绍
- 二、priority_queue的使用
- 三、仿函数
-
- 3.1 仿函数的概念
- 四、priority_queue的模拟实现
-
- 4.1 priority_queue的结构
- 4.2 Comapre仿函数的实现
- 4.3 向上调整算法的实现
- 4.4 向下调整算法的实现
- 4.5 push插入数据
- 4.6 pop删除数据
- 4.7 返回队头数据
- 4.8 返回priority_queue队列的大小
- 4.9 判断priority_queue队列是否为空
- 五、完整代码
-
- 5.1 priority_queue.h
- 5.2 test.h
一、priority_queue的介绍
- 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。
- 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)。
- 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。
- 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 - 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。
- 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。
二、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。
| 函数说明 | 接口说明 |
|---|---|
| priority queue()/priority queue(first,last) | 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 |
1.默认情况下，priority_queue是大堆
void test_priority_queue()
{
//仿函数//函数对象
//默认是大堆--大的优先级高
//priority_queue pq;
//小堆--小的优先级高
priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;
pq.push(1);
pq.push(2);
pq.push(3);
pq.push(4);
pq.push(5);
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;
}
//struct Less
//{
//bool operator()(int x, int y)
//{
// return x < y;
//}
//};
//template2.如果在priority_queue中放自定义类型数据，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;
};
class PDateLess
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 < *p2;
}
};
class PDateGreater
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 > *p2;
}
};
void test_priority_queue2()
{
// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
//priority_queue q1;
priority_queue<Date,vector<Date>,greater<Date>> q1;
q1.push(Date(2018, 10, 29));
q1.push(Date(2018, 10, 28));
q1.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q1.top() << endl;
//priority_queue, PDateLess> q2;
priority_queue<Date*,vector<Date*>, PDateGreater> q2;
q2.push(new Date(2018, 10, 29));
q2.push(new Date(2018, 10, 28));
q2.push(new Date(2018, 10, 30));
cout << *(q2.top()) << endl;
如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
//priority_queue, greater> q2;
//q2.push(Date(2018, 10, 29));
//q2.push(Date(2018, 10, 28));
//q2.push(Date(2018, 10, 30));
//cout << q2.top() << endl;
}
}
三、仿函数
3.1 仿函数的概念
在上文中，我们看到priority_queue类模板中，有三个模板参数，其中第三个greater就是仿函数。
仿函数到底是什么呢？
仿函数(functors)，也叫函数对象(function objects)，是STL六大组件中的一部分，这里我们没办法一次性讲完它，所以就基于priority_queue的实现稍微介绍一下。
实际上，就实现意义而言，函数对象这个名字更加贴切：一种具有函数特质的对象。但是，仿函数似乎能更加符合的描述他的行为。所以这里我们就采用仿函数这种叫法。
在学习STL之前我们就已经了解了泛型编程的概念，C++引入了模板让我们的编程能够随意的控制数据类型，现在引入了仿函数的概念，让我们能够控制逻辑。
在priority_queue的构造函数中，就经常使用less和greater两个仿函数，less和greater都是C++标准库中给出的判断两数之间大小关系的仿函数，他们被包含在头文件functional中：
less：给两个操作数，判断前者是否小于后者。
greater：给两个操作数，判断前者是否大于后者。
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;
}
};
int main()
{
Less<int> lessFunc;
cout << lessFunc(1, 2) << endl;
cout << lessFunc(2, 1) << endl;
return 0;
}
四、priority_queue的模拟实现
4.1 priority_queue的结构
首先，对于函数模板的设计，我们和库里面对齐，给了三个参数，分别表示参数存入容器的参数类型，容器类型和仿函数，其中默认的仿函数是less，建大堆。
template<class T,class Container =vector<T>,class Comapre=less<T>>
class priority_queue
{
public:
//...
private:
Container _con;
};
4.2 Comapre仿函数的实现
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;
}
};
4.3 向上调整算法的实现
//大堆
void adjust_up(int child)
{
Comapre com;
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
//if (_con[parent]< _con[child])
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
4.4 向下调整算法的实现
void adjust_down(int parent)
{
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
Comapre com;
//if (child + 1 < _con.size() && _con[child]< _con[child + 1])
if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
{
++child;
}
//if (_con[parent]< _con[child])
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
4.5 push插入数据
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
adjust_up(_con.size() - 1);
}
4.6 pop删除数据
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.pop_back();
adjust_down(0);
}
4.7 返回队头数据
const T& top()
{
return _con[0];
}
4.8 返回priority_queue队列的大小
size_t size()
{
return _con.size();
}
4.9 判断priority_queue队列是否为空
bool empty()
{
return _con.empty();
}
五、完整代码
5.1 priority_queue.h
#pragma once
namespace zl
{
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;
}
};
//大堆
template<class T,class Container =vector<T>,class Comapre=less<T>>
class priority_queue
{
public:
void adjust_up(int child)
{
Comapre com;
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
//if (_con[parent]< _con[child])
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
void adjust_down(int parent)
{
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
Comapre com;
//if (child + 1 < _con.size() && _con[child]< _con[child + 1])
if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
{
++child;
}
//if (_con[parent]< _con[child])
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
adjust_up(_con.size() - 1);
}
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.pop_back();
adjust_down(0);
}
const T& top()
{
return _con[0];
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
private:
Container _con;
};
void test_priority_queue()
{
//仿函数//函数对象
//默认是大堆--大的优先级高
//priority_queue pq;
//小堆--小的优先级高
priority_queue<int> pq;
//priority_queue> pq;
pq.push(2);
pq.push(5);
pq.push(3);
pq.push(0);
pq.push(1);
pq.push(7);
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;
}
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;
};
class PDateLess
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 < *p2;
}
};
class PDateGreater
{
public:
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 > *p2;
}
};
void test_priority_queue2()
{
// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
//priority_queue q1;
priority_queue<Date,vector<Date>,greater<Date>> q1;
q1.push(Date(2018, 10, 29));
q1.push(Date(2018, 10, 28));
q1.push(Date(2018, 10, 30));
cout << q1.top() << endl;
//priority_queue, PDateLess> q2;
priority_queue<Date*,vector<Date*>, PDateGreater> q2;
q2.push(new Date(2018, 10, 29));
q2.push(new Date(2018, 10, 28));
q2.push(new Date(2018, 10, 30));
cout << *(q2.top()) << endl;
如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
//priority_queue, greater> q2;
//q2.push(Date(2018, 10, 29));
//q2.push(Date(2018, 10, 28));
//q2.push(Date(2018, 10, 30));
//cout << q2.top() << endl;
}
}
5.2 test.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
using namespace std;
#include "priority_queue.h"
//void test_priority_queue()
//{
// //仿函数//函数对象
// //默认是大堆--大的优先级高
// //priority_queue pq;
//
// //小堆--小的优先级高
// priority_queue,greater> pq;
// pq.push(1);
// pq.push(2);
// pq.push(3);
// pq.push(4);
// pq.push(5);
//
// while (!pq.empty())
// {
// cout << pq.top() << " ";
// pq.pop();
// }
// cout << endl;
//}
//
//
//struct Less
//{
// bool operator()(int x, int y)
// {
// return x < y;
// }
//};
//
//
//template lessFunc;
// cout << lessFunc(1, 2) << endl;
// cout << lessFunc(2, 1) << endl;
//
// return 0;
//}
int main()
{
zl::test_priority_queue();
//zl::test_priority_queue2();
return 0;
}