C++ STL priority_queue容器适配器详解

Posted 2020-12-11 harrytsz520

priority_queue 容器适配器模拟的也是队列这种存储结构，即使用此容器适配器存储元素只能“从一端进（称为队尾），从另一端出（称为队头）”，且每次只能访问 priority_queue 中位于队头的元素。

但是，priority_queue 容器适配器中元素的存和取，遵循的并不是 “First in,First out”（先入先出）原则，而是“First in，Largest out”原则。直白的翻译，指的就是先进队列的元素并不一定先出队列，而是优先级最大的元素最先出队列。

注意，“First in，Largest out”原则是笔者为了总结 priority_queue 存取元素的特性自创的一种称谓，仅为了方便读者理解。

那么，priority_queue 容器适配器中存储的元素，优先级是如何评定的呢？很简单，每个 priority_queue 容器适配器在创建时，都制定了一种排序规则。根据此规则，该容器适配器中存储的元素就有了优先级高低之分。

举个例子，假设当前有一个 priority_queue 容器适配器，其制定的排序规则是按照元素值从大到小进行排序。根据此规则，自然是 priority_queue 中值最大的元素的优先级最高。

priority_queue 容器适配器为了保证每次从队头移除的都是当前优先级最高的元素，每当有新元素进入，它都会根据既定的排序规则找到优先级最高的元素，并将其移动到队列的队头；同样，当 priority_queue 从队头移除出一个元素之后，它也会再找到当前优先级最高的元素，并将其移动到队头。

基于 priority_queue 的这种特性，因此该容器适配器有被称为优先级队列。

priority_queue 容器适配器“First in，Largest out”的特性，和它底层采用堆结构存储数据是分不开的。有关该容器适配器的底层实现，后续章节会进行深度剖析。

STL 中，priority_queue 容器适配器的定义如下：

template <typename T,

        typename Container=std::vector<T>,

        typename Compare=std::less<T> >

class priority_queue{

    //......

}

可以看到，priority_queue 容器适配器模板类最多可以传入 3 个参数，它们各自的含义如下：

• typename T：指定存储元素的具体类型；
• typename Container：指定 priority_queue 底层使用的基础容器，默认使用 vector 容器。

作为 priority_queue 容器适配器的底层容器，其必须包含 empty()、size()、front()、push_back()、pop_back() 这几个成员函数，STL 序列式容器中只有 vector 和 deque 容器符合条件。

• typename Compare：指定容器中评定元素优先级所遵循的排序规则，默认使用std::less按照元素值从大到小进行排序，还可以使用std::greater按照元素值从小到大排序，但更多情况下是使用自定义的排序规则。

其中，std::less 和 std::greater 都是以函数对象的方式定义在 头文件中。关于如何自定义排序规则，后续章节会做详细介绍。

创建priority_queue的几种方式

由于 priority_queue 容器适配器模板位于头文件中，并定义在 std 命名空间里，因此在试图创建该类型容器之前，程序中需包含以下 2 行代码：

# include <queue>
using namespace std;

创建 priority_queue 容器适配器的方法，大致有以下几种。

2. 1. 创建一个空的 priority_queue 容器适配器，第底层采用默认的 vector 容器，排序方式也采用默认的 std::less 方法：

std::priority_queue<int> values;

2. 可以使用普通数组或其它容器中指定范围内的数据，对 priority_queue 容器适配器进行初始化：

//使用普通数组
int values[]{4,1,3,2};
std::priority_queue<int>copy_values(values,values+4);//{4,2,3,1}
//使用序列式容器
std::array<int,4>values{ 4,1,3,2 };
std::priority_queue<int>copy_values(values.begin(),values.end());//{4,2,3,1}

注意，以上 2 种方式必须保证数组或容器中存储的元素类型和 priority_queue 指定的存储类型相同。另外，用来初始化的数组或容器中的数据不需要有序，priority_queue 会自动对它们进行排序。

3. 还可以手动指定 priority_queue 使用的底层容器以及排序规则，比如：

int values[]{ 4,1,2,3 };
std::priority_queue<int, std::deque<int>, std::greater<int> >copy_values(values, values+4);//{1,3,2,4}

事实上，std::less 和 std::greater 适用的场景是有限的，更多场景中我们会使用自定义的排序规则。

由于自定义排序规则的方式不只一种，因此这部分知识将在后续章节做详细介绍。

priority_queue提供的成员函数

priority_queue 容器适配器提供了表 2 所示的这些成员函数。

成员函数	功能
empty()	如果 priority_queue 为空的话，返回 true；反之，返回 false。
size()	返回 priority_queue 中存储元素的个数。
top()	返回 priority_queue 中第一个元素的引用形式。
push(const T& obj)	根据既定的排序规则，将元素 obj 的副本存储到 priority_queue 中适当的位置。
push(T&& obj)	根据既定的排序规则，将元素 obj 移动存储到 priority_queue 中适当的位置。
emplace(Args&&... args)	Args&&... args 表示构造一个存储类型的元素所需要的数据（对于类对象来说，可能需要多个数据构造出一个对象）。此函数的功能是根据既定的排序规则，在容器适配器适当的位置直接生成该新元素。
pop()	移除 priority_queue 容器适配器中第一个元素。
swap(priority_queue& other)	将两个 priority_queue 容器适配器中的元素进行互换，需要注意的是，进行互换的 2 个 priority_queue 容器适配器中存储的元素类型以及底层采用的基础容器类型，都必须相同。

和 queue 一样，priority_queue 也没有迭代器，因此访问元素的唯一方式是遍历容器，通过不断移除访问过的元素，去访问下一个元素。

下面的程序演示了表 2 中部分成员函数的具体用法：

# include <iostream>
# include <queue>
# include <array>
# include <functional>
using namespace std;
int main()
{
    //创建一个空的priority_queue容器适配器
    std::priority_queue<int>values;
    //使用 push() 成员函数向适配器中添加元素
    values.push(3);//{3}
    values.push(1);//{3,1}
    values.push(4);//{4,1,3}
    values.push(2);//{4,2,3,1}
    //遍历整个容器适配器
    while (!values.empty())
    {
        //输出第一个元素并移除。
        std::cout << values.top()<<" ";
        values.pop();//移除队头元素的同时，将剩余元素中优先级最大的移至队头
    }
    return 0;
}

运行结果为：

4 3 2 1

表 2 中其它成员函数的用法也非常简单，这里不再给出具体示例，后续章节用法会做具体介绍。