初识C++ · 优先级队列

目录

前言:

[1 优先级队列的使用](#1 优先级队列的使用)

[2 优先级队列的实现](#2 优先级队列的实现)

[3 仿函数](#3 仿函数)


前言:

栈和队列相对其他容器来说是比较简单的,在stl里面,有一种容器适配器是优先级队列(priority_queue),它也是个队列,但是不大像队列,本文中简略介绍如何使用和模拟实现它。


1 优先级队列的使用

要使用,先文档:

文档黑体第一句话就是,优先级队列是一种容器配置器,容器配置器是?电脑有电源适配器,起到提供电源的作用,但是这个适配器不是充电器,即充电的时候,电源来自于电线,但是我们不能直接拿电线充电吧?这时候适配器就有用了,通过封装,使得两边达到一个配合的效果,容器配置器同理。当然这不是重点。

模板是必要的,模板参数有3个,参考栈和队列,第二个参数是底层用的哪种容器进行实现的,这里的默认是使用的顺序表,第三个参数是仿函数,后面介绍。

那么在来看看成员函数:

很少是吧,可以说成员函数和队列没有什么差别,所以我们现在简单使用一下:

cpp 复制代码
int main()
{
	priority_queue<int> q1;
	q1.push(2);
	q1.push(1);
	q1.push(4);
	q1.push(3);
	q1.push(5);
	cout << q1.size() << endl;

	while (!q1.empty())
	{
		cout << q1.top() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;
	cout << q1.size() << endl;
	return 0;
}

使用很简单,但是打印的结果却,,有点奇怪?

这就是优先级队列的特殊之处了,我们并没有对它进行排序,但是打印出来是默认有序的,这是因为它的本质是堆,而模板参数第三个仿函数的参与,决定了它是大堆还是小堆,默认是升序的,可以理解为升序状态下谁最小谁优先级最高,所以先被打印。

但是实际上,不用管那么多,就把它认为是堆就ok了,所以我们实现的时候需要实现向上调整算法和向下调整算法。

对于仿函数我们放在实现了80%在介绍。


2 优先级队列的实现

我们需要实现以下几个接口:

empty,size,push,pop,top,接口不多,另外还要实现向上调整算法和向下调整算法。

优先级队列的一般结构为:

cpp 复制代码
template <class T,class container = vector<T>>
class priority_queue
{
public:

private:
	container _con;

};

模板的第三个参数先不急。

简单的几个接口我们一股脑实现就完事了:

cpp 复制代码
void push(const T& val)
{
	_con.push_back(val);
	adjust_up(_con.size() - 1);
}

bool empty()
{
	return _con.empty();
}

void pop()
{
	swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
	_con.pop_back();
	adjust_down(0);
}

size_t size()
{
	return _con.size();
}

const T& top()
{
	return _con[0];
}

这部分是没什么难度的。

随机要实现的是push和pop,这里提问,为什么默认的底层实现是vector呢?

因为堆的本质,就是一块连续的空间,我们只是把它抽象为了完全二叉树。

push数据之后,堆本身的结构被破坏了,所以我们需要向上调整数据,在数据结构初级的时候,已经介绍过两种算法,这里过一下就Ok:

向上调整算法是通过孩子节点和父节点的值进行比较,然后交换位置,可能有点倒反天罡,谁的值大谁就当爸爸?我们知道孩子节点的下标之后,父节点的下标就是(孩子下标 - 1) / 2,如果不熟悉可以拿图推演一下,最后一次交换的时候,孩子节点的下标变成了父节点的下标,所以判断条件应该是孩子节点的下标是否合法,即是否大于0:

cpp 复制代码
void adjust_up(size_t child)
{
	size_t parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if(_con[parent] < _con[child])
		{
			swap(_con[parent],_con[child]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

此时push的的准备工作就做好了,插入,调整,完成:

cpp 复制代码
void push(const T& val)
{
	_con.push_back(val);
	adjust_up(_con.size() - 1);
}

与之对应的是pop,pop对应的准备工作是向下调整算法,向下调整算法有几个需要注意的点就是,我们建大堆,那么就要在孩子节点中找到两个孩子中较大的那一个,除此之后,不是所有的节点都有两个子节点,所以我们需要保证孩子 + 1不小于size,这是基础工作,随机就是比较大小,谁大谁就往上:

cpp 复制代码
void adjust_down(size_t parent)
{
	size_t child = parent * 2 + 1;
	while (child < _con.size())
	{
		if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
		{
			child++;
		}
		if (_con[child] > _con[parent])
		{
			swap(_con[child], _con[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

pop的准备工作也是完毕了,那么pop就行,对于堆部分有些遗忘的同学就会想为什么涉及到向下调整,因为删除,为了效率和不破坏堆的结构,我们的措施是首尾交换,向下调整。

cpp 复制代码
void pop()
{
	swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
	_con.pop_back();
	adjust_down(0);
}

3 仿函数

仿函数是本文的重点,我们需要先知道什么是仿函数?

先看一段这样的代码:

cpp 复制代码
template <class T>
struct Less
{
	bool operator()(const T& a,const T& b)
	{
		return a > b;
	}
};
void Func(int ,int)
{
	cout << endl;
}

int main()
{
	Less<int> Fun;
	Fun(1,2);
	Func(1,2);
	return 0;
}

如果说只看主函数的代码,就会容易觉得,这不就是两个函数调用吗?仿函数仿函数,顾名思义,模仿函数,因为调用的时候挺像函数的,但是实际上,它是一个类,这个类实例化对象,使用重载后的(),我们称这个过程叫做仿函数调用,仿函数实际上只有一个东西,就是重载的()。

重载的()没有其他东西,只有比较,对于内置类型我们可以直接比较,对于自定义类型我们可能要重载一下> 或者 <。

所以,仿函数是个类,类里面的函数是重载的(),一般是两个参数,用于比较使用。

所以我们在向上调整算法和向下调整算法的实现里面的比较,就可以用仿函数完成,进而控制升序降序,那么我们就还要写两个类:

cpp 复制代码
//仿函数
template <class T>
struct less
{
	bool operator()(const T& x,const T& y)
	{
		return x < y;
	}
};

template <class T>
struct greater
{
	bool operator()(const T& x, const T& y)
	{
		return x > y;
	}
};

那么对应更新的,就是我们的两个算法:

cpp 复制代码
template <class T,class container = vector<T>,class compare = greater<T>>


void adjust_up(size_t child)
{
	compare com;
	size_t parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		//if (_con[parent] < _con[child])
		if(com(_con[parent] , _con[child]))
		{
			swap(_con[parent],_con[child]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

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 (_con[child] > _con[parent])
		if(com(_con[parent], _con[child]))
		{
			swap(_con[child], _con[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

向下调整算法这里有个注意的,if(child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])),第一个判断条件放在前面是最好的,因为越界了不用了比较了,代码逻辑更严密。

但是这里使用了仿函数好像也没有什么特别的,无非就是用了一个像函数调用一样的类而已,为什么不用C语言中qsort里面的函数指针呢?

在C++里面函数指针并不常用,难写不说,代码的可移植性还不高,目前我们针对的内置类型使用的仿函数效果不明显,我们引入一个日期类,一个自定义类型,进行日期的比较。

cpp 复制代码
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);
	}
private:
	size_t _year;
	size_t _month;
	size_t _day;
};

对于自定义类型的比较重载已经写在了类里面,现在直接比较就可以了:

cpp 复制代码
class DateGreater
{
	bool operator()(const Date& d1, const Date& d2)
	{
		return d1 > d2;
	}
};
class DateLess
{
	bool operator()(const Date& d1, const Date& d2)
	{
		return d1 < d2;
	}
};
cpp 复制代码
void Test2_priority_queue()
{
	priority_queue<Date> q1;
	q1.push({ 2024, 4, 17 });
	q1.push({ 2024, 4, 18 });
	q1.push({ 2024, 4, 19 });
	q1.push({ 2024, 4, 20 });
	cout << q1.size() << endl;
	while (!q1.empty())
	{
		cout << q1.top() << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;
}

对比淘宝,淘宝的的排序,比如综合评分排序,销量排序等,用户点击对应按钮,系统就会调用对应的函数,使用的就是仿函数,函数指针在C++里面不太常用,它的类型和变量名混杂一起,看起来不太舒服。

仿函数的一般使用差不多了,但是如果我们给优先级队列里面存放日期类的指针,但是相比较日期类的大小怎么办呢?

cpp 复制代码
void Test3_priority_queue()
{
	priority_queue<Date*, vector<Date*>> q1;
	q1.push(new Date(2024,5,20));
	q1.push(new Date(2024,5,21));
	q1.push(new Date(2024,5,22));
	q1.push(new Date(2024,5,23));
	while (!q1.empty())
	{
		cout << *(q1.top()) << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;
}

比如这样,里面都是指针,我们push的也是new出来的指针,我们使用的仿函数是:

cpp 复制代码
class DateGreater
{
	bool operator()(const Date& d1, const Date& d2)
	{
		return d1 > d2;
	}
};
class DateLess
{
	bool operator()(const Date& d1, const Date& d2)
	{
		return d1 < d2;
	}
};

那么这个仿函数就不可以了,比较出来的都是随机结果,这是因为new出来的地址都是随机的,而默认的是比较的指针,打印出来的是对应的日期,所以结果一会儿是对的一会儿是错的,这是因为仿函数的错误使用,我们应该解引用之后再进行比较,这里就要另外提供一个仿函数了:

cpp 复制代码
class PDateGreater
{
public:
	bool operator()(Date* d1, Date* d2)
	{
		return *d1 > *d2;
	}	
};

光提供了还不行,我们还要显式调用:

cpp 复制代码
void Test3_priority_queue()
{
	priority_queue<Date*, vector<Date*>,PDateGreater> q1;
	q1.push(new Date(2024,5,20));
	q1.push(new Date(2024,5,21));
	q1.push(new Date(2024,5,22));
	q1.push(new Date(2024,5,23));
	while (!q1.empty())
	{
		cout << *(q1.top()) << " ";
		q1.pop();
	}
	cout << endl;
}

这样就是完美的了。仿函数的简单介绍就到这里。


感谢阅读!

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