【C++】STL使用仿函数控制优先级队列priority_queue

简介: 【C++】STL使用仿函数控制优先级队列priority_queue

前言

本文章讲解C++STL的容器适配器:priority_queue的实现,并实现仿函数控制priority_queue底层。


一、priority_queue的底层实现

priority_queue叫做优先级队列,它的底层结构是堆,在库中,默认生成的是大堆

在库的实现中,使用vector作为该优先级队列的适配容器。

由于priority_queue也是一个适配器,所以它的接口函数也可以对其他容器的函数进行封装使用。

下面来对priority_queue进行模拟实现。

#pragma once
//优先级队列底层是堆,heap
namespace bit
{
  //仿函数
  template<class T>
  class Less
  {
  public:
    bool operator()(const T& t1, const T& t2)
    {
      return t1 < t2;
    }
  };
  template<class T>
  class Greater
  {
  public:
    bool operator()(const T& t1, const T& t2)
    {
      return t1 > t2;
    }
  };
  //类名不是类型
  template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = Less<T> >
  //默认大堆
  class PriorityQueue
  {
    //com是一个仿函数
    Compare com;
    void AdjustDown(int parent)
    {
      int child = parent * 2 + 1;
      while (child > 0)
      {
        //可能右孩子存在且大于左孩子
        if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child],_con[child + 1]))
        {
          ++child;
        }
        //如果孩子存在且孩子大于父亲,交换
        if (child < _con.size() && com(_con[parent],_con[child]))
        {
          swap(_con[child], _con[parent]);
          parent = child;
          child = parent * 2 + 1;
        }
        else
        {
          break;
        }
      }
    }
    void AdjustUp(int child)
    {
      Compare com;
      //类名实例化类对象,该类型是一个仿函数,实例化的com可以调用仿函数的比较方法
      //记录父亲的下标
      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;
      }
    }
  public:
    PriorityQueue()
    {}
    //默认建大堆
    template<class InputIterator>
    PriorityQueue(InputIterator first, InputIterator end)
    {
      //插入数据
      while (first != end)
      {
        _con.push_back(*first);
        ++first;
      }
      //向下调整建堆
      for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
      {
        AdjustDown(i);
      }
    }
    void push(const T& val)
    {
      //插入元素
      _con.push_back(val);
      //然后向上调整
      AdjustUp(_con.size() - 1);
    }
    void pop()
    {
      //1.堆顶和堆尾交换
      swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
      //2.删除堆尾
      _con.pop_back();
      //3.向下调整,恢复堆
      AdjustDown(0);
    }
    T& top() 
    {
       return _con[0];
    }
    size_t size() const
    {
      return _con.size();
    }
    bool empty() const
    {
      return _con.empty();
    }
  private:
    Container _con;

注解:

  • 1.在进行构造时,我们使用迭代区间进行构造
  • (1)向空间中插入数据
  • (2)向下调整建堆,建N个数据,从第一个非叶子节点开始进行建堆,每次都向下调整,时间复杂度O(N)。

push函数的实现:

向堆尾插入一个元素,插入的元素可能会改变堆的结构,所以我们需要将该元素向上调整,以维护堆的特性。

pop函数的实现:

删除堆顶元素,首先将堆顶元素和堆的最后一个元素进行交换,然后进行尾删,删除后原来的堆尾的元素现在在堆顶,我们需要将其进行向下调整以维持堆的状态。

empty函数:

判断堆是否为空即可。

size函数:

计算堆的元素个数。

top函数:

取堆顶元素,也就是取第一个元素。

priority_queue容器的作用:有需要使用堆的地方就可以使用该容器。

二、使用仿函数控制priority_queue的底层

什么是仿函数?

仿函数:仿造的函数,它并不是一个真正意义上的函数。能够重载operator(),内部实现自己想要的方法,然后实例化出一个方法对象,调用该对象作为参数,此时就可以调用该方法类对象内部实现的operator()方法了。

由于库中的优先级队列的底层结构是堆,且默认是大堆,我们在模拟实现和使用时,如果遇到需要使用小堆的场景,需要改变的东西很多,比如向上调整算法和向下调整算法的比较方法。

现在我们需要指定一个方法,这个方法可以由我们控制,从而实现大小堆。

仿函数:

//仿函数
template<class T>
class Less
{
public:
  bool operator()(const T& t1, const T& t2)
  {
    return t1 < t2;
  }
};
template<class T>
class Greater
{
public:
  bool operator()(const T& t1, const T& t2)
  {
    return t1 > t2;
  }
};

这里实现了两个类,并重载了一个比较方法。

在priority_queue模板的实现中,我们可以多传递一个模板参数:class Compare,也就是多传递一个比较方法。然后我们自己写一个比较方法传递过去,然后在priority_queue的实现中实例化一个方法对象来控制堆的生成。


总结

本文章讲解了仿函数控制priority_queue容器的底层实现的过程以及priority_queue的底层实现。

只要有堆的地方就可以使用priority_queue容器。

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