【c++】模拟实现优先级队列(priority_queue)

全部代码

  • 以容器适配器的玩法来实现,底层容器默认为vector

  • 使用了模板参数T表示存储在队列中的元素类型,Container表示底层容器类型,默认为vector,Compare表示比较器类型,默认为less。

  • adjustDown函数用于向下调整堆,保持堆的性质。它从指定的父节点开始,将其与子节点进行比较,如果子节点的值更大,则交换父节点和子节点的位置,并继续向下调整直到满足堆的性质。

  • adjustUp函数用于向上调整堆,保持堆的性质。它从指定的子节点开始,将其与父节点进行比较,如果子节点的值更大,则交换父节点和子节点的位置,并继续向上调整直到满足堆的性质。

  • 构造函数可以接受一个迭代器范围[first, last],用于初始化优先队列。在构造过程中,首先将迭代器范围内的元素存储到底层容器中,然后从最后一个非叶子节点开始,依次调用adjustDown函数,使得整个容器满足堆的性质。

  • empty函数用于判断优先队列是否为空,即底层容器是否为空。

  • size函数用于返回优先队列中元素的个数,即底层容器的大小。

  • top函数用于返回优先队列中的最大元素(根节点),但并不删除该元素。

  • push函数用于将一个元素插入到优先队列中。它将元素添加到底层容器的末尾,并调用adjustUp函数向上调整堆。

  • pop函数用于删除优先队列中的最大元素(根节点)。它首先将根节点与最后一个叶子节点交换位置,然后删除最后一个叶子节点,并调用adjustDown函数向下调整堆。

    #pragma once
    #include<vector>
    namespace hqj
    {
    template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T> >

      class priority_queue
    
      {
      private:
          void adjustDown(int parent)
          {
              int child = parent * 2 + 1;
    
              while (child < _c.size())
              {
                  if (child + 1 < _c.size() && _comp(_c[child], _c[child+1]))
                  {
                      child++;
                  }
    
                  if (_comp(_c[parent], _c[child]))
                  {
                      swap(_c[parent], _c[child]);
                      parent = child;
                      child = parent * 2 + 1;
                  }
                  else
                  {
                      break;
                  }
               
              }
          }
    
          void adjustUp(int child)
          {
              int parent = (child - 1) / 2;
              while (child > 0)
              {
                  if (_comp(_c[parent],_c[child]))
                  {
                      swap(_c[parent], _c[child]);
                      child = parent;
                      parent = (child - 1) / 2;
                  }
                  else
                  {
                      break;
                  }
              }
          }
      public:
    
          priority_queue()
          {}
    
          template <class InputIterator>
    
          priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
              :_c(first,last)
          {
              for (int i = _c.size() - 1 - 1; i >= 0; i++)
              {
                  adjustDown(i);
              }
          }
    
          bool empty() const
          {
              return _c.empty();
          }
    
          size_t size() const
          {
              return _c.size();
          }
    
          T& top() const
          {
              return (T&)_c.front();
          }
    
          void push(const T& x)
          {
              _c.push_back(x);
              adjustUp(_c.size() - 1);
          }
    
          void pop()
          {
              swap(_c.front(), _c.back());
              _c.pop_back();
              adjustDown(0);
          }
    
      private:
    
          Container _c;
    
          Compare _comp;
    
      };
    

    };

私有成员

  • _c容器对象:缺省的容器类型是vector

  • _comp比较器对象

    Container _c;
    Compare _comp;

构造函数

  • 由于我们模拟实现的优先级队列是一个容器适配器,私有成员中不含内置类型。利用系统生成的默认构造函数特性,会自动调用私有成员的构造函数,所以我们可以不写该优先级队列的构造函数的内容

    priority_queue()
    {}

析构函数

  • 同理根据系统默认生成的析构函数特性,当对象销毁时会自动调用自定义类型的析构函数,我们也可以不写

向下调整函数

  • 向下调整函数的参数是父节点的下标

  • 首先我们通过父亲下标找到其左孩子

  • 随后我们通过比较左右孩子大小来确定父亲要与哪个孩子进行比较、交换,至于是选择较大孩子还是较小孩子要根据比较器_comp的返回值来确定,如果我们想建小堆则选取较小的孩子;若我们要建大堆,则选取较大的孩子

  • 交换父亲和孩子,并且更新父亲和孩子

  • 由于向下调整次数不一定唯一,我们需要用到while结构,循环终止条件为:child下标越界、父子间的大小关系不满足比较器的要求。

    void adjustDown(int parent)
    {
    int child = parent * 2 + 1;

            while (child < _c.size())
            {
                if (child + 1 < _c.size() && _comp(_c[child], _c[child+1]))
                {
                    child++;
                }
    
                if (_comp(_c[parent], _c[child]))
                {
                    swap(_c[parent], _c[child]);
                    parent = child;
                    child = parent * 2 + 1;
                }
                else
                {
                    break;
                }
             
            }
        }
    

向上调整函数

  • 向上调整函数的参数是孩子的下标

  • 首先通过孩子的下标找到父亲的下标

  • 当父子关系满足比较器_comp的要求时进行调整,交换父亲和孩子,并更新父亲和孩子的下标

  • 同样,向上调整不止一次,需要用到while结构,循环终止条件为:孩子为根节点、父亲和孩子间的大小关系不满足比较器_comp要求

    void adjustUp(int child)
        {
            int parent = (child - 1) / 2;
            while (child > 0)
            {
                if (_comp(_c[parent],_c[child]))
                {
                    swap(_c[parent], _c[child]);
                    child = parent;
                    parent = (child - 1) / 2;
                }
                else
                {
                    break;
                }
            }
        }
    

迭代器构造函数

  • 由于模拟实现的优先级队列是容器适配器,直接使用底层容器的迭代器构造就行了,读入要建堆的数据

  • 都读入后,先找到最后一个叶子节点的父亲节点,随后传递该节点下标进向下调整函数,开始依次向下调整

  • 以arr数组为例:

     priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
            :_c(first,last)
        {
            for (int i = _c.size() - 1 - 1; i >= 0; i--)
            {
                adjustDown(i);
            }
        }
    

empty函数

  • 还是底层容器接口的复用,调用底层容器的empty函数

    bool empty() const
    {
    return _c.empty();
    }

size函数

  • 底层容器接口的复用,调用底层容器的size函数

     size_t size() const
        {
            return _c.size();
        }
    

top函数

  • 函数作用是返回优先级队列队头元素(也就是堆顶元素),而该元素正好是底层容器的首元素,复用front接口就行,记得要强转

       T& top() const
       {
           return (T&)_c.front();
       }
    

push函数的实现

  • 调用底层容器的push_back函数实现插入功能,然后再进行向上调整堆

        void push(const T& x)
        {
            _c.push_back(x);
            adjustUp(_c.size() - 1);
        }
    

pop函数的实现

  • 首先交换队头元素和队尾元素(堆顶元素和堆尾元素)

  • 将队尾元素删除

  • 从堆顶开始向下调整堆

        void pop()
        {
            swap(_c.front(), _c.back());
            _c.pop_back();
            adjustDown(0);
        }
    
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