C++从青铜到王者第十六篇:STL之priority_queue类的初识和模拟实现

Posted 2021-08-18 森明帮大于黑虎帮

系列文章目录

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文章目录

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• 前言
• 一、priority_queue的介绍和使用
• • • 1.priority_queue的介绍
    • 2.priority_queue的使用
• 二、priority_queue的模拟实现
• 三、容器适配器
• • • 1.什么是适配器
    • 2.STL标准库中stack和queue的底层结构
    • 3.deque的简单介绍
    • 4.deque的缺点
    • 5. 为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器
• 总结

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前言

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一、priority_queue的介绍和使用

1.priority_queue的介绍

priority_queue的介绍

• 翻译：
• 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：
  
• 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

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

• 注意：
• 默认情况下，priority_queue是大堆

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
#include<iostream>
#include<queue>
#include<functional>
using namespace std;
void test_priority_queue()
{
	//priority_queue<int> pq;
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;
	pq.push(1);
	pq.push(2);
	pq.push(3);
	pq.push(4);
	cout << pq.size() << endl;
	cout << pq.empty() << endl;
	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << " ";
		pq.pop();
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	test_priority_queue();
	return 0;
}

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<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
#pragma once
namespace yyw
{
	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>>
	//template<class T,class Container=vector<T>>
	class priorty_queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			AdjustUp(_con.size() - 1);  //logN
		}
		void front()
		{
			_con.front();
		}
		void back()
		{
			_con.back();
		}
		void pop()
		{
			if (empty())
			{
				return;
			}
			std::swap(_con.front(), _con.back());
			_con.pop_back();
			AdjustDown(0); //logN
		}
		T& top()
		{
			return _con[0];
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
		void AdjustUp(int child)
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while ( child>0 )
			{
				//if (_con[child] > _con[parent])
				if (com(_con[parent],_con[child])) 
				{
					std::swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void AdjustDown(int root)
		{
			Compare com;
			int parent = root;
			int child = 2 * parent + 1;
			while (child<_con.size())
			{
				/*if (child+1<_con.size()&&_con[child+1] > _con[child])*/
				if (child + 1<_con.size() && com(_con[child],_con[child+1]))
				{
					child++;
				}
				/*if (_con[child]>_con[parent])*/
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					std::swap(_con[child], _con[parent]);
					parent = child;
					child = 2 * parent + 1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
	};
	void testPriorityQueue()
	{
		priorty_queue<int, std::vector<int>> pq;
		//priorty_queue<int,std::vector<int>,greater<int>> pq;  //这里的仿函数是类型，模板类型
		pq.push(10);
		pq.push(5);
		pq.push(2);
		pq.push(3);
		pq.push(4);
		std::cout << pq.size() << std::endl;
		std::cout << pq.empty() << std::endl;
		while (!pq.empty())
		{
			std::cout << pq.top() << " ";
			pq.pop();
		}
		std::cout << std::endl;
	}
	void testsort()
	{
		std::vector<int> v1;
		v1.push_back(5);
		v1.push_back(6);
		v1.push_back(4);
		v1.push_back(3);
		sort(v1.begin(), v1.end());
		for (auto e : v1)
		{
			std::cout << e << " ";
		}
		std::cout << std::endl;
		sort(v1.begin(), v1.end(), greater<int>());//这里的仿函数是对象
		for (auto e : v1)
		{
			std::cout << e << " ";
		}
		std::cout << std::endl;
	}
}

三、容器适配器

1.什么是适配器

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。

2.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，比如：

3.deque的简单介绍

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。

4.deque的缺点

• 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。
• 但是，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。

5. 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，因此只要具有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：

• 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。
• 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。

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了priority_queue的使用和模拟实现，而priority_queue提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法,非常的便捷所以我们务必掌握。另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。