【C++】priority_queue的介绍和模拟实现
一. priority_queue的介绍
1. priority_queue的基本介绍
- 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。
- 其实现类似于堆，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。
2. priority_queue的使用介绍
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()/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
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // 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。
二. priority_queue的模拟实现
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：
#include<vector>
#include<functional>
// 仿函数/函数对象
//这个类的对象可以像函数一样使用
template<class T>
//为了与库less区别这里用大写Less
class Less
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x < y;
}
};
template<class T>
//为了与库less区别这里用大写G
class Greater
{
public:
bool operator()(const T& x, const T& y)
{
return x > y;
}
};
namespace wch
{
template<class T, class Container = vector<T>, class Comapre = less<T>>
class priority_queue
{
private:
void AdjustDown(int parent)
{
Comapre com;
// 找左右孩子大的那一个
size_t child = parent * 2 + 1;
while (child < _con.size())
{
if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1]))
{
++child;
}
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
else
{
break;
}
}
}
// 向上调整与向下调整的区别：向上调整不需要找左右孩子大的那一个
void AdjustUp(int child)
{
Comapre com;
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (com(_con[parent], _con[child]))
{
swap(_con[child], _con[parent]);
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
public:
priority_queue()
{}
template<class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
{
while (first != last)
{
_con.push_back(*first);
++first;
}
// 建堆，_con.size() - 1 - 1为最后一个parent（非叶子节点）
for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
{
AdjustDown(i);
}
}
//交换第一个与最后一个，如何删除交换后的最后一个，从下标0开始向下调整
void pop()
{
swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
_con.pop_back();
AdjustDown(0);
}
//尾插，从尾插后的最后一个向上调整
void push(const T& x)
{
_con.push_back(x);
AdjustUp(_con.size() - 1);
}
const T& top()
{
return _con[0];
}
bool empty()
{
return _con.empty();
}
size_t size()
{
return _con.size();
}
private:
Container _con;
};
void test_priority_queue1()
{
// 默认是大堆 -- less
//priority_queue<int> pq;
// 仿函数控制实现小堆
priority_queue<int, vector<int>, Greater<int>> pq;
pq.push(3);
pq.push(5);
pq.push(1);
pq.push(4);
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);
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{
_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
return _cout;
}
struct LessPDate
{
bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
{
return *p1 < *p2;
}
};
void test_priority_queue2()
{
// 仿函数控制实现小堆
/* priority_queue<Date, vector<Date>, less<Date>> pq;
pq.push(Date(2023, 7, 20));
pq.push(Date(2023, 6, 20));
pq.push(Date(2023, 8, 20));
while (!pq.empty())
{
cout << pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;*/
//由于每次运行代码时，同一地方的new每次开辟的空间不一样，即地址大小不可以做为比较两个元素的依据，
// 这里控制上述仿函数LessPDate达到比较两个元素的目的
priority_queue<Date*, vector<Date*>, LessPDate> pq;
pq.push(new Date(2023, 7, 20));
pq.push(new Date(2023, 6, 20));
pq.push(new Date(2023, 8, 20));
while (!pq.empty())
{
cout << *pq.top() << " ";
pq.pop();
}
cout << endl;
}
}