【C++航海王:追寻罗杰的编程之路】priority_queue(优先队列) | 容器适配器你知道哪些?

简介: 【C++航海王:追寻罗杰的编程之路】priority_queue(优先队列) | 容器适配器你知道哪些?

1 -> priority_queue的介绍和使用

1.1 -> priority_queue的介绍

priority_queue的文档介绍

1. 优先队列是一种容器适配器,根据严格的弱排序标准,它的第一个元素是它所包含的元素中最大的。

2. 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)。

3. 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。

4. 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

5. 标准容器类vector和的deque满足这些需求。默认情况下,如果没有特定的priority_queue类实例化指定容器列,则使用vector。

6. 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。

1.2 -> priority_queue的使用

优先队列默认使用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) 构造一个空的优先队列
empty() 检测优先队列是否为空,是返回true,否则返回false
top() 返回优先队列中最大(或最小元素),即堆顶元素
push(x) 在优先队列中插入元素x
pop() 删除优先队列中最大(或最小)元素,即堆顶元素

【注意】

1. 默认情况下,priority_queue是大堆。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
 
#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>
using namespace std;
 
void TestPriorityQueue()
{
  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;
}
 
int main()
{
 
  TestPriorityQueue();
 
  return 0;
}

2. 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<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;
};
 
void TestPriorityQueue()
{
  // 大堆,需要用户在自定义类型中提供<的重载
  priority_queue<Date> q1;
  q1.push(Date(2024, 10, 29));
  q1.push(Date(2024, 10, 28));
  q1.push(Date(2024, 10, 30));
  cout << q1.top() << endl;
 
  // 如果要创建小堆,需要用户提供>的重载
  priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
  q2.push(Date(2024, 10, 29));
  q2.push(Date(2024, 10, 28));
  q2.push(Date(2024, 10, 30));
  cout << q2.top() << endl;
}

1.3 -> priority_queue的模拟实现

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
 
// priority_queue--->堆
namespace fyd
{
  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 = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
  class priority_queue
  {
  public:
    // 创造空的优先级队列
    priority_queue() : c() {}
 
    template<class Iterator>
    priority_queue(Iterator first, Iterator last)
      : c(first, last)
    {
      // 将c中的元素调整成堆的结构
      int count = c.size();
      int root = ((count - 2) >> 1);
      for (; root >= 0; root--)
        AdjustDown(root);
    }
 
    void push(const T& data)
    {
      c.push_back(data);
      AdjustUP(c.size() - 1);
    }
 
    void pop()
    {
      if (empty())
        return;
 
      swap(c.front(), c.back());
      c.pop_back();
      AdjustDown(0);
    }
 
    size_t size()const
    {
      return c.size();
    }
 
    bool empty()const
    {
      return c.empty();
    }
 
    // 堆顶元素不允许修改,因为:堆顶元素修改可以会破坏堆的特性
    const T& top()const
    {
      return c.front();
    }
  private:
    // 向上调整
    void AdjustUP(int child)
    {
      int parent = ((child - 1) >> 1);
      while (child)
      {
        if (Compare()(c[parent], c[child]))
        {
          swap(c[child], c[parent]);
          child = parent;
          parent = ((child - 1) >> 1);
        }
        else
          return;
      }
    }
 
    // 向下调整
    void AdjustDown(int parent)
    {
      size_t child = parent * 2 + 1;
      while (child < c.size())
      {
        // 找以parent为根的较大的孩子
        if (child + 1 < c.size() && Compare()(c[child], c[child + 1]))
          child += 1;
 
        // 检测双亲是否满足情况
        if (Compare()(c[parent], c[child]))
        {
          swap(c[child], c[parent]);
          parent = child;
          child = parent * 2 + 1;
        }
        else
          return;
      }
    }
  private:
    Container c;
  };
}

2 -> 容器适配器

2.1 -> 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。

2.2 -> 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queue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。

2.3 -> deque的介绍

2.3.1 -> deque的原理介绍

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。

deque并不是真正连续的空间,而是由一段段连续的小空间拼接而成的,实际deque类似于一个动态的二维数组,其底层结构如下:

双端队列底层是一段假象的连续空间,实际是分段连续的,为了维护其”整体连续“以及随机访问的假象,落在了deque的迭代器身上,因此deque的迭代器设计就比较复杂,如下图:  

那deque是如何借助其迭代器维护其假象连续的结构呢?

2.3.2 -> deque的缺陷

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,因此其效率势必比vector高。

与list比较,其底层时连续空间,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。

2.4 -> 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:

  1. 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两端进行操作。
  2. 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,而完美避开了其缺陷。

2.5 -> STL标准库中对于stack和queue的模拟实现

2.5.1 -> stack的模拟实现

#include<deque>
 
namespace fyd
{
  template<class T, class Con = deque<T>>
  //template<class T, class Con = vector<T>>
  //template<class T, class Con = list<T>>
  class stack
  {
  public:
    stack() {}
    void push(const T& x) { _c.push_back(x); }
    void pop() { _c.pop_back(); }
    T& top() { return _c.back(); }
    const T& top()const { return _c.back(); }
    size_t size()const { return _c.size(); }
    bool empty()const { return _c.empty(); }
  private:
    Con _c;
  };
}

2.5.2 -> queue的模拟实现

#include<deque>
#include <list>
 
namespace fyd
{
  template<class T, class Con = deque<T>>
  //template<class T, class Con = list<T>>
  class queue
  {
  public:
    queue() {}
    void push(const T& x) { _c.push_back(x); }
    void pop() { _c.pop_front(); }
    T& back() { return _c.back(); }
    const T& back()const { return _c.back(); }
    T& front() { return _c.front(); }
    const T& front()const { return _c.front(); }
    size_t size()const { return _c.size(); }
    bool empty()const { return _c.empty(); }
  private:
    Con _c;
  };
}



感谢各位大佬支持!!!

互三啦!!!

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