C++模拟实现优先级队列(priority_queue)

news2024/10/5 17:25:06

目录

一、 仿函数

1.1仿函数的概念+使用

1.2模拟实现仿函数

二、优先级队列（priority_queue)

2.1 优先级队列概念

2.2 优先级队列使用

2.3 模拟实现优先级队列

2.3.1 优先级队列类框架

2.3.2 模板参数

2.3.3 构造函数

2.3.4 仿函数

2.3.5 adjust_up (堆向上排序)

2.3.6 adjust_down(堆向下排序)

2.3.7 push(尾插数据)

2.3.8 pop(出队头数据)

2.3.9 top(取堆顶)

2.3.A size(容器元素个数)

2.3.B empty(判断容器是否为空)

2.4 优先级队列完整 + 模拟测试

2.4.1 priority_queue.h

2.4.2 test.cpp

一、 仿函数

1.1仿函数的概念+使用

💡仿函数(functor)，就是使一个类的使用看上去像一个函数。其实本质就是类中实现一个operator()，这个类就有了类似函数的行为，就是一个仿函数类了

接下来我们要来了解库中两个常用的比较仿函数 less / greater

直接看库代码：

//less
template <class T> struct less : binary_function <T,T,bool> {
  bool operator() (const T& x, const T& y) const {return x<y;}
};

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

它们的本质就是类封装operator()函数，只不过模板参数让它们的比较类型可以灵活化！下面我们来看看它的使用场景！控制数据排序是升序还是降序！

#include <iostream>     // std::cout
#include <functional>   // std::greater
#include <algorithm>    // std::sort

int main () {
  int numbers[]={20,40,50,10,30};
  //升序
  sort (numbers, numbers+5, greater<int>());
  for (int i=0; i<5; i++)
    cout << numbers[i] << ' ';
  cout << '\n';
  //降序
  sort (numbers, numbers+5, less<int>());
  for (int i=0; i<5; i++)
    cout << numbers[i] << ' ';
  cout << '\n';
  return 0;
}

代码结果：

结论：less是决定排降序，greater决定是升序

1.2模拟实现仿函数

我们直接看代码：

template<class T>
	class Less
	{
	public:
		bool operator()(const T& left, const T& right)const
		{
			return left > right;
		}
	};
	template<class T>
	class greater
	{
	public:
		bool operator()(const T& left, const T& right)const
		{
			return left < right;
		}
	};

二、优先级队列（priority_queue)

在此之前需要你知道数据结构的堆概念！我写的另一篇博客数据结构的堆介绍了堆！

2.1 优先级队列概念

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所包含的元素中最大优先级的。（本质数据排序是数据结构的堆！)
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，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：

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

5. 标准容器类vector和deque满足这些需求。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，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。

2.2 优先级队列使用

#include<vector>
#include<iostream>
#include<queue>
#include<functional>
using namespace std;
int main()
{
	priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;
	
    int arr[] = { 9,7,2,6,3,5,1,4,8 };
	for (int i = 0;i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);i++)
		pq.push(arr[i]);
	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << ' ';
		pq.pop();
	}
	return 0;
}

2.3 模拟实现优先级队列

2.3.1 优先级队列类框架

#pragma once
#include<vector>
#include<iostream>
#include<deque>
using namespace std;
namespace wyz
{
	//仿函数
	template<class T>
	class lesser
	{
	public:
		bool operator()(const T& left, const T right)const
		{
			return left > right;
		}
	};
	template<class T>
	class greater
	{
	public:
		bool operator()(const T& left, const T right)const
		{
			return left < right;
		}
	};

	//优先级队列
	template<class T,class contain=vector<T>,class compare=lesser<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
        //默认构造
		priority_queue()
		{}

        //容器迭代器区间构造
		template <class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)

        //向上排序
		void adjust_up(size_t child)
	
        //向下排序
		void adjust_down(size_t parent）

		//尾插 + 堆向上排序
		void push(const T& val)
	

		//出堆顶 + 堆向下排序
		void pop()


		//取堆顶
		const T& top()const
		

		//返回容器数据个数
		size_t size()const
	

		//判断容器是否为空
		bool empty()const

	private:
		contain con;//容器
	};
}

2.3.2 模板参数

template<class T,class contain=vector<T>,class compare=lesser<T>>

💡💡三个类型参数分别代表 数据存储类型、底层容器类型、仿函数决定排序顺序！

我们默认容器时Vector,堆是大堆，即堆顶是最大值！

2.3.3 构造函数

//默认构造
priority_queue()
{}
//容器迭代器区间构造
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
	:con(first, last)//直接迭代器区间构造底层容器
{}

2.3.4 仿函数

💡💡注意两个仿函数各自比较方式！使用的是后注意传给letf、right参数值！

template<class T>
class lesser
{
public:
	bool operator()(const T& left, const T right)const
	{
		return left > right;
	}
};
template<class T>
class greater
{
public:
	bool operator()(const T& left, const T right)const
	{
		return left < right;
	}
};

2.3.5 adjust_up (堆向上排序)

void adjust_up(size_t child)
{
	compare com;
	size_t parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		//Less 建大堆 比较符号是> child>parent匹配符号左右参数
		if (com(con[child], con[parent]))
		{
			swap(con[child], con[parent]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else break;
	}
}

2.3.6 adjust_down(堆向下排序)

void adjust_down(size_t parent)
{
    //别忘记创建仿函数类
	compare com;
	size_t child = parent * 2 + 1;
	while (child < con.size())
	{
		//lesser 建大堆 比较符号>  child+1>child匹配符号左右参数
		if (child + 1 < con.size() && com(con[child + 1], con[child]))
		{
			child = child + 1;
		}
		//lesser 建大堆  比较符号> child>parent匹配符号左右参数
		if (com(con[child], con[parent]))
		{
			swap(con[child], con[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else break;
	}
}

2.3.7 push(尾插数据)

void push(const T& val)
{
	con.push_back(val);
	adjust_up(con.size() - 1);
}

2.3.8 pop(出队头数据)

void pop()
{
    //底层是vector,不能直接出头元素，要不然要挪动数据，影响堆整体父子关系
    //我们将首尾元素交换后，再pop尾数据，然后重新向下建堆
	swap(con[0], con[con.size() - 1]);
	con.pop_back();
	adjust_down(0);
}

2.3.9 top(取堆顶)

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

2.3.A size(容器元素个数)

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

2.3.B empty(判断容器是否为空)

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

2.4 优先级队列完整 + 模拟测试

2.4.1 priority_queue.h

#pragma once
#include<vector>
#include<iostream>
#include<deque>
using namespace std;
namespace wyz
{
	//仿函数
	template<class T>
	class lesser
	{
	public:
		bool operator()(const T& left, const T right)const
		{
			return left > right;
		}
	};
	template<class T>
	class greater
	{
	public:
		bool operator()(const T& left, const T right)const
		{
			return left < right;
		}
	};

	//优先级队列
	template<class T,class contain=vector<T>,class compare=lesser<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		priority_queue()
		{}
		template <class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
			:con(first,last)
		{}
		void adjust_up(size_t child)
		{
			compare com;
			size_t parent= (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//lesser 建大堆 child>parent
				if (com(con[child], con[parent]))
				{
					swap(con[child], con[parent]);
					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())
			{
				//lesser 建大堆 child+1>child 
				if (child + 1 < con.size() && com(con[child + 1], con[child]))
				{
					child = child + 1;
				}
				//lesser 建大堆 child>parent
				if (com(con[child], con[parent]))
				{
					swap(con[child], con[parent]);
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else break;
			}
		}

		//尾插 + 堆向上排序
		void push(const T& val)
		{
			con.push_back(val);
			adjust_up(con.size()-1);
		}

		//取队头（堆顶） + 堆向下排序
		void pop()
		{
			swap(con[0], con[con.size() - 1]);
			con.pop_back();
			adjust_down(0);
		}

		//取堆顶
		const T& top()const
		{
			return con[0];
		}

		//返回容器数据个数
		size_t size()const
		{
			return con.size();
		}

		//判断容器是否为空
		bool empty()const
		{
			return con.empty();
		}
	private:
		contain con;//容器
	};
}

2.4.2 test.cpp

#include"priority_queue.h"
#include<queue>
#include<functional>
void Test1()
{
	wyz::priority_queue<int, vector<int>, wyz::greater<int>> pq;
	int arr[] = { 9,7,2,6,3,5,1,4,8 };
	for (int i = 0;i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);i++)
		pq.push(arr[i]);
	cout << "greater优先级队列结果：";
	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << ' ';
		pq.pop();
	}
	cout << endl
}
void Test2()
{
	int arr[] = { 9,7,2,6,3,5,1,4,8 };
	wyz::priority_queue<int, vector<int>, wyz::lesser<int>> pq;
	for (int i = 0;i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);i++)
		pq.push(arr[i]);
	cout << "lesser优先级队列结果：";
	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << ' ';
		pq.pop();
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	Test1();
	Test2();
	return 0;
}

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