【C++】deque以及优先级队列
deque的介绍
deque的原理介绍
deque（双端队列）：是一种双开口的“连续”空间的数据空间，双开口的含义是：可以在头尾俩段进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)。
与vector相比，头插效率高，不需要搬移元素；
与list相比，空间利用率高。
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。
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的迭代器的设计就比较复杂。
下面是deque借助迭代器维护其假象连续的结构。
priority_queue的介绍与使用
priority_queue的介绍
- std::priority_queue
- template <class T, class Container = vector,
- class Compare = less< typename Container::value_type > > class priority_queue;
【说明】
1.优先队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它包含的元素中最大的。
2.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）。
3.优先级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，priority_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，其称为优先级队列的顶部。
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deque满足这些要求，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
6.需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部类保持堆结构。容器适配器通过在需要是自动调用算法函数make_heap、push_heap、pop_heao来自动完成此操作。
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上又使用堆算法将vector中的元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所以需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。
【注意】默认情况下priority_queue是大堆。
constructor（构造函数）
- 构造一个空的优先级队列
priority_queue<int> pq;
empty
- 检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false
priority_queue<int> pq; if (!pq.empty()) { cout << "非空" << endl; }
push
- 在优先级队列中插入元素x
priority_queue<int> pq; pq.push(1);
pop
- 删除优先级队列中最大（最小）的元素，即删除堆顶元素。
【注意】：
1.默认情况下，priority_queue是大堆。
2.如果在priority_queue中放自定义类型的数据，用户需要在自定义类型中提供>或者<的重载。
top
- 返回优先级队列中最大（最小元素），即堆顶元素。
priority_queue<int> pq; pq.push(1); pq.push(3); pq.push(2); pq.push(7); pq.push(5); cout << pq.top() << endl;
size
- 返回元素个数
priority_queue<int> pq; pq.push(1); pq.push(3); pq.pop(); cout << pq.size() << endl;
priority_queue的模拟实现
#pragma once #include<iostream> #include<vector> #include<functional> namespace bit { template<class T, class Container = std::vector<T>, class Comapre = std::less<T>> class priority_queue { private: void AdjustDown(int parent) { Comapre com; size_t child = parent * 2 + 1; while (child < _con.size()) { if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])) { ++child; } if (com(_con[parent], _con[child])) { swap(_con[child], _con[parent]); parent = child; child = parent * 2 + 1; } else { break; } } } void AdjustUp(int child) { Comapre com; 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; } else { break; } } } public: priority_queue() {} template<class InputIterator> priority_queue(InputIterator first, InputIterator last) { while (first != last) { _con.push_back(*first); ++first; } // 建堆 for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--) { AdjustDown(i); } } void pop() { swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]); _con.pop_back(); AdjustDown(0); } void push(const T& x) { _con.push_back(x); AdjustUp(_con.size() - 1); } const T& top() { return _con[0]; } bool empty() { return _con.empty(); } size_t size() { return _con.size(); } private: Container _con; }; }
仿函数
仿函数（Functor）是一种重载函数调用运算符()或结构体，它可以像函数一样被调用。通过重载函数调用运算符，仿函数可以实现自定义的操作行为。
仿函数可以像普通函数一样接受参数，并返回结果。它可以用于函数对象的传递，函数指针的替代，算法的灵活性场景等。
template<class T> class Less { public: bool operator()(T& val1, T& val2) { return val1 < val2; } }; int main() { Less<int> cmp; int num1 = 10; int num2 = 20; cout << cmp(num1, num2) << endl; return 0; }
何为适配器
我们从前文的学习中以及了解到，stack与queue都是容器适配器。那么什么是适配器呢？
- 适配器是一种设计模式（设计模式是一套被反复使用的，多人知晓的，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。
- 设配器（adaptor）是标准库中的一个通用概念。容器、迭代器和函数都有迭代器。本质上，一个迭代器是一种机制，能使某种事物的行为看起来像另外一种事物一样。
换句话来讲，适配器是将已有的东西进行相关的设配转换。
容器适配器
虽然在之前的学习中，stack与queue中也可以存放元素，但是在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与queue默认使用deque。
默认情况下，stack和queue是基于deque实现的，priority_queue是在vector之上实现的。
deque的缺陷
- 优势
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，因此其效率是比vetcor高的。
与list相比，其底层是连续空间，空间的利用率比较高，不需要存储额外字段。 - 缺点
deque有一个致命的缺陷：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。
选择deque作为适配器的理由
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者俩端进行操作。
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。
STL标准库中对stack与queue的模拟实现
stack的模拟实现
#include<deque> namespace bite { 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; }; }
queue的模拟实现
#include<deque> #include <list> namespace bite { 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; }; }
反向迭代器
反向迭代器就是在容器中从尾元素像首元素反向移动的迭代器。对于反向迭代器，递增（以及递减）操作的含义都会颠倒过来。递增一个反向迭代器（++it）会移动到前一个元素；递减一个反向迭代器（- -it）会移动到下一个元素。
反向迭代器跟正向迭代器对称关系——镜像关系。
