STL 优先队列的自定义比较函数与 sort() 等泛型算法的自定义比较函数的区别

Posted 2020-10-22 大峰子的博客

前言

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　　最近在刷算法题，常常需要自定义比较函数作为作为函数对象送入 stl 中，遇到了下面的问题：

　　 泛型算法 sort() 的比较函数是这么写： 

//sort() 实现元素间关系为递增的比较函数
struct cmp{
    bool operator () (const T& a, const T& b) const
    {
        return a.x < b.x;
    }
};
//或者这样bool operator < (const T& a, const T& b) const {
    return a.x < b.x;   
}

 

　　而优先队列里的比较函数是这么写：

//priority_queue 实现元素间关系为递增(实现最小堆)的比较函数
struct cmp {
　　 DataType x;
    bool operator () (const T& a, const T& b) const
    {
        return a.x > b.x;
    }
}
//或者这样
struct T {
    Type_2 x;
    friend bool operator < (const T&a, const T& b) const
    {
        return a.x > b.x;
    }
}

 

　　同样是实现元素的递增关系即 “前驱 < 后继”，为什么一个是 “a.x < b.x”，一个是"a.x > b.x" 呢？

 

分析 sort() 

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　　先拿 sort() 进行分析，排序类的泛型算法很多，它们的 cmp 写法是相似的，这里先看一份冒泡排序实现递增关系如 <1, 2, 3 ..> 的写法，法一：当传入的 class compare 是cmp 是这个函数对象时，它会重载 () 使得 *current 、*next 进行 “<” 比较 ，如果两个元素的关系不满足 “<” ，则交换。

#include <iostream> 

template <class BidirectionalIt, class Compare> //双向迭代器
void bubble_sort(BidirectionalIt first, BidirectionalIt last, Compare comp) {
    for (; first != last; --last) 
        for (BidirectionalIt current = first, next = first; ++next != last; ++current) 
            if (!comp(*current, *next)) 
                std::swap(*current, *next); } 
}
//可以这么写
struct cmp {
    bool oprator ()(int a, int b) { 
        return a < b; 
    }
};

//或者这么写
bool cmp (int a, int b){
    return a < b;
}    

 

　　一言以蔽之，就是元素将按照 cmp 中定义的逻辑关系进行排列。

　　虽然 sort() 是用 快排+堆排+插入实现的而并非冒泡，但是原理是一样。

 

分析 priority_queue 

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　　现在我们再来看看优先队列。

　　STL优先队列模板：priority_queue<Type, Container, Functional> ，参数分别对应的是 元素类型、容器类型、比较函数。

　　注意，优先队列不是 STL 的容器，而是由 底层容器 vector/deque 实现，缺省情况下它利用 MAX-HEAP 实现，而 MAX-HEAP 是 vector 实现的完全二叉树，这样的东西称为适配器 (adapter)。

　　在优先队列中默认优先级高的先出队列，具体操作是使用函数对象 less<> 重载了 “<”，所以这里优先级的高低是由 “<” 确定的，所以当我们按下面的形式写：

priority_queue<int> pQueue;

　　通过操作符 < 知道元素关键字大的优先级高，此时是最大堆。若每次从堆顶取一个元素，最后得到一个序列，那么序列中元素的关系是递减的。

　　我们想要让元素的关系是递增该怎么做？

 　　第一种办法是使用与 less<>作用相反的函数对象 greater<> 。

　　第二种办法就是使用自定义比较函数，通过它实现对自定义数据类型的优先级的定义。

　　　　2-1. 通过重载 operator < 操作符以比较元素的优先级

struct T{
    DataType key;
    friend bool operator < (const T& a, const T& b) {
        return a.key > b.key;
    }
};

　　　　逻辑是这样：假设 a.key > b.key 为 TRUE ，由于默认是最大堆，此时优先队列会认为 a < b ，即 b 的优先级比 a 高，所以 b会被先出队，这样就实现了关键字小的元素先出队。最后输出的序列是按关键字递增的。

　　　　2-2. 通过重载 operator () 以定义元素的优先级。

struct cmp{
    bool operator () (const Type& a, const Type& b) const {
        return a.x > b.x;
    }
};

　　　　逻辑和 2-1 是一样的。这里重载了 () 的目的是使得 cmp 成为像 less<> 一样的函数对象(实质上是继承了 less<>) ，作为新的比较比较级的规则以 priority_queue 第三个参数的形式传入 priority_queue 中。

　　　

总结

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　　优先队列的“比较级”概念与”由MAX-HEAP实现“这一特性，使得自定义比较函数中需要这么写： "a.x>b.x" 。

 

延伸阅读

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　　永远让比较函数对相等的值返回false(来自Effective C++)

　　C++中的 sort 使用自定义比较函数的具体运行过程是怎样的呢？