【C++】深度解析：用 C++ 模拟实现 priority_queue类，探索其底层实现细节(仿函数、容器适配器)

2024-08-25 13:14:16 浏览数 (1)
⭐前言

✨堆

堆是一种特殊的树形数据结构，通常以二叉树的形式实现，具有特定的排序特性。堆分为两种类型：最大堆和最小堆。

具体可以参见这篇文章：【数据结构】二叉树-CSDN博客

✨容器适配器

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。

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和队列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，比如：

✨仿函数

在 C 中，仿函数通常指的是一种行为类似于函数的对象，即可以像调用函数那样被调用的对象。这种对象通常包含一些数据成员，并且重载了括号运算符 operator()，从而允许以函数的方式调用。

看下面这段代码：

代码语言：javascript复制
class Less
{
public:
    bool operator()(const int& x, const int& y)
    {
        return x < y;
    }
};

int main()
{
    Less lesscom;
    cout << lesscom(1, 2) << endl;
    return 0;
}

代码中定义了Less类，重载()，函数中定义了x、y两个参数，当x小于y就返回true，否则返回false。

在main函数中创建了Less类的对象，如果想要调用重载()，常规的调用方法应该是对象名.函数名(参数列表)。但因为重载()函数是可以省略.operator()，所以当我们使用这个仿函数对象的时候，使用的方法就和调用一个函数一样，这就是仿函数的使用。

仿函数的特点

  1. 可调用性：仿函数通过重载括号运算符 operator() 实现了可调用性，使得我们可以像调用普通函数一样调用仿函数对象。
  2. 状态：仿函数可以拥有自己的数据成员（状态），这意味着每次调用仿函数时，它可以访问这些成员变量，这与普通的函数不同，后者通常不保留状态。
  3. 多态性：由于仿函数是对象，它们可以被用作多态的一部分，这意味着你可以通过基类指针或引用调用派生类的仿函数对象。

仿函数的用途

  • 算法参数化：仿函数可以作为算法的参数，使得算法可以根据传入的不同仿函数表现出不同的行为。
  • 事件处理：在 GUI 编程中，可以使用仿函数作为事件处理器，当事件发生时调用相应的仿函数对象。
  • 模板编程：在 C 模板编程中，仿函数经常被用作模板参数，以实现泛型算法

⭐priority_queue介绍

priority_queue 是 C 标准库中的一个容器适配器，它提供了基于最大堆或最小堆的数据结构来实现优先队列的功能。priority_queue 自动维护元素的排序，使得每次插入或删除操作都能保持堆的性质。

priority_queue 底层将vector作为默认容器，默认情况下为大堆。

⭐priority_queue参数介绍

代码语言：javascript复制
template <class T, class Container = vector<T>,
  class Compare = less<typename Container::value_type> > 
class priority_queue;
  1. T: 这是优先队列中存储的元素类型。例如，如果存储整数，则 T 将是 int。
  2. Container: 这是一个可选的模板参数，用来指定底层容器的类型。默认情况下，std::priority_queue 使用 std::vector<T> 作为其底层容器。但是，可以选择任何支持随机访问迭代器的容器类型，例如 std::deque<T>。请注意，底层容器必须支持 push_back 和 pop_back 操作。
  3. Compare: 这也是一个可选的模板参数，用来指定元素之间的比较方式。默认情况下，使用 std::less<typename Container::value_type>，这意味着对于类型 T 的元素，将使用 < 运算符进行比较，创建出一个大堆。如果要创建一个最小堆，则可以使用 std::greater<typename Container::value_type>。

我们其实可以发现 priority_queue使用的是容器适配器模式，底层是vector和deque这样支持下标随机访问等操作的容器；并且还是要了仿函数 Compare来控制比较逻辑，使用less<typename Container::value_type>创建出大堆，使用greater<typename Container::value_type> 创建出小堆。

priority_queue的一个完整的声明如下：

代码语言：javascript复制
priority_queue<int, std::vector<int>, std::greater<int>> minHeap;

⭐priority_queue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）

构造一个空的优先级队列

empty()

检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回 false

top()

返回优先级队列中最大(最小元素)，即堆顶元素

push(x)

在优先级队列中插入元素x

pop()

删除优先级队列中最大(最小)元素，即堆顶元素

默认情况下，priority_queue是大堆。

代码语言：javascript复制
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional> // greater算法的头文件
void TestPriorityQueue()
{
     // 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
     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;
}

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。

代码语言：javascript复制
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(2018, 10, 29));
    q1.push(Date(2018, 10, 28));
    q1.push(Date(2018, 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(2018, 10, 29));
    q2.push(Date(2018, 10, 28));
    q2.push(Date(2018, 10, 30));
    cout << q2.top() << endl;
}

⭐priority_queue实现

✨仿函数实现

仿函数就是它的对象可以想函数一样去使用，本质上是重载了()。

代码语言：javascript复制
//仿函数

//控制大堆
template<class T>
class less
{
public:
	bool operator()(const T& x, const T&y)
	{
		return x < y;
	}
};

//控制小堆
template<class T>
class greater
{
public:
	bool operator()(const T& x, const T& y)
	{
		return x > y;
	}
};

实际上的使用应该像下面图中第二行那样，但是重载之后就省略了。

✨堆的向上调整和向下调整

大体上的逻辑和堆的实现相同，但是使用仿函数控制比较的逻辑，使得优先队列不仅对基础数据类型，如int，有效，也对想Date这样的日期类型有效（需要重载了>和<）。

代码语言：javascript复制
//向上调整
void adjust_up(size_t child)
{
	Compare 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;
		}
	}
}
//向下调整
void adjust_down(size_t parent)
{
	Compare 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;
		}
	}
}

✨完整代码

代码语言：javascript复制
//仿函数

	//控制大堆
	template<class T>
	class less
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T&y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	//控制小堆
	template<class T>
	class greater
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

	//less 控制为大堆
	template<class T,class Container = vector<T>,class Compare = less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		//向上调整
		void adjust_up(size_t child)
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//if (_con[child] > _con[parent])
				//if (_con[parent] < _con[child])
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			adjust_up(_con.size()-1) ;
		}
		//向下调整
		void adjust_down(size_t parent)
		{
			Compare com;
			size_t child = parent * 2   1;
			while (child < _con.size())
			{
				//if (child   1 < _con.size() && _con[child   1] > _con[child])
				//if (child   1 < _con.size() && _con[child] < _con[child   1])
				if (child   1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child   1]))
				{
					  child;
				}

				//if (_con[child] > _con[parent])
				//if (_con[parent] < _con[child])
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2   1;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}
		void pop()
		{
			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			adjust_down(0);
		}
		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
		size_t size()
		{
			return _con.size();
		}
		const T& top()
		{
			return _con[0];
		}
	private:
		Container _con;
	};

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c++ 容器 queue 对象 函数

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