C++初阶-priority_queue（优先级队列）的使用与模拟实现

一、priority_queue的介绍

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：
   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。

二、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。

函数说明	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

1.默认情况下，priority_queue是大堆

void test_priority_queue()
{
	//仿函数//函数对象
	//默认是大堆--大的优先级高
	//priority_queue<int> pq;

	//小堆--小的优先级高
	priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;
	pq.push(1);
	pq.push(2);
	pq.push(3);
	pq.push(4);
	pq.push(5);

	while (!pq.empty())
	{
		cout << pq.top() << " ";
		pq.pop();
	}
	cout << endl;
}

//struct Less
//{
	//bool operator()(int x, int y)
	//{
	//	return x < y;
	//}
//};

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

int main()
{
	//test_priority_queue();

	Less<int> lessFunc;
	cout << lessFunc(1, 2) << endl;
	cout << lessFunc(2, 1) << endl;

	return 0;
}

2.如果在priority_queue中放自定义类型数据，用户需要在自定义类型中提供>或者<的重载

	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;
	};

	class PDateLess
	{
	public:
		bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
		{
			return *p1 < *p2;
		}
	};

	class PDateGreater
	{
	public:
		bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
		{
			return *p1 > *p2;
		}
	};

	void test_priority_queue2()
	{
		// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
		//priority_queue<Date> q1;
		priority_queue<Date,vector<Date>,greater<Date>> q1;
		q1.push(Date(2018, 10, 29));
		q1.push(Date(2018, 10, 28));
		q1.push(Date(2018, 10, 30));
		cout << q1.top() << endl;

		//priority_queue<Date*,vector<Date*>, PDateLess> q2;
		priority_queue<Date*,vector<Date*>, PDateGreater> q2;
		q2.push(new Date(2018, 10, 29));
		q2.push(new Date(2018, 10, 28));
		q2.push(new Date(2018, 10, 30));
		cout << *(q2.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;
	}
}

三、仿函数

3.1 仿函数的概念

??在上文中，我们看到priority_queue类模板中，有三个模板参数，其中第三个greater就是仿函数。
仿函数到底是什么呢？
??仿函数(functors)，也叫函数对象(function objects)，是STL六大组件中的一部分，这里我们没办法一次性讲完它，所以就基于priority_queue的实现稍微介绍一下。
??实际上，就实现意义而言，函数对象这个名字更加贴切：一种具有函数特质的对象。但是，仿函数似乎能更加符合的描述他的行为。所以这里我们就采用仿函数这种叫法。
??在学习STL之前我们就已经了解了泛型编程的概念，C++引入了模板让我们的编程能够随意的控制数据类型，现在引入了仿函数的概念，让我们能够控制逻辑。
??在priority_queue的构造函数中，就经常使用less和greater两个仿函数，less和greater都是C++标准库中给出的判断两数之间大小关系的仿函数，他们被包含在头文件functional中：
??less：给两个操作数，判断前者是否小于后者。
??greater：给两个操作数，判断前者是否大于后者。

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;
	}
};

int main()
{
	Less<int> lessFunc;
	cout << lessFunc(1, 2) << endl;
	cout << lessFunc(2, 1) << endl;

	return 0;
}

四、priority_queue的模拟实现

4.1 priority_queue的结构

??首先，对于函数模板的设计，我们和库里面对齐，给了三个参数，分别表示参数存入容器的参数类型，容器类型和仿函数，其中默认的仿函数是less，建大堆。

template<class T,class Container =vector<T>,class Comapre=less<T>>
class priority_queue
{
public:
//...
private:
	Container _con;
};

4.2 Comapre仿函数的实现

	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;
		}
	};

4.3 向上调整算法的实现

		//大堆
		void adjust_up(int child)
		{
			Comapre com;

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

4.4 向下调整算法的实现

		void adjust_down(int parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				Comapre com;
				//if (child + 1 < _con.size() &&  _con[child]< _con[child + 1])
				if (child + 1 < _con.size() &&  com(_con[child], _con[child + 1]))
				{
					++child;
				}

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

4.5 push插入数据

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

4.6 pop删除数据

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

4.7 返回队头数据

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

4.8 返回priority_queue队列的大小

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

4.9 判断priority_queue队列是否为空

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

五、完整代码

5.1 priority_queue.h

#pragma once

namespace zl
{
	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;
		}
	};

	//大堆
	template<class T,class Container =vector<T>,class Comapre=less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:

		void adjust_up(int child)
		{
			Comapre com;

			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//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 adjust_down(int parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				Comapre com;
				//if (child + 1 < _con.size() &&  _con[child]< _con[child + 1])
				if (child + 1 < _con.size() &&  com(_con[child], _con[child + 1]))
				{
					++child;
				}

				//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 push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
			adjust_up(_con.size() - 1);
		}

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

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

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

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

	private:
		Container _con;
	};

	void test_priority_queue()
	{
		//仿函数//函数对象
		//默认是大堆--大的优先级高
		//priority_queue<int> pq;

		//小堆--小的优先级高
		priority_queue<int> pq;
		//priority_queue<int,deque<int>> pq;

		pq.push(2);
		pq.push(5);
		pq.push(3);
		pq.push(0);
		pq.push(1);
		pq.push(7);

		while (!pq.empty())
		{
			cout << pq.top() << " ";
			pq.pop();
		}
		cout << endl;
	}


	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;
	};

	class PDateLess
	{
	public:
		bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
		{
			return *p1 < *p2;
		}
	};

	class PDateGreater
	{
	public:
		bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
		{
			return *p1 > *p2;
		}
	};

	void test_priority_queue2()
	{
		// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
		//priority_queue<Date> q1;
		priority_queue<Date,vector<Date>,greater<Date>> q1;
		q1.push(Date(2018, 10, 29));
		q1.push(Date(2018, 10, 28));
		q1.push(Date(2018, 10, 30));
		cout << q1.top() << endl;

		//priority_queue<Date*,vector<Date*>, PDateLess> q2;
		priority_queue<Date*,vector<Date*>, PDateGreater> q2;
		q2.push(new Date(2018, 10, 29));
		q2.push(new Date(2018, 10, 28));
		q2.push(new Date(2018, 10, 30));
		cout << *(q2.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;
	}
}

5.2 test.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<functional>
#include<stack>
#include<vector>
#include<queue>
#include<list>
using namespace std;
#include "priority_queue.h"

//void test_priority_queue()
//{
//	//仿函数//函数对象
//	//默认是大堆--大的优先级高
//	//priority_queue<int> pq;
//
//	//小堆--小的优先级高
//	priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;
//	pq.push(1);
//	pq.push(2);
//	pq.push(3);
//	pq.push(4);
//	pq.push(5);
//
//	while (!pq.empty())
//	{
//		cout << pq.top() << " ";
//		pq.pop();
//	}
//	cout << endl;
//}
//
//
//struct Less
//{
//	bool operator()(int x, int y)
//	{
//		return x < y;
//	}
//};
//
//
//template<class T>
//struct Less
//{
//	bool operator()(const T& x, const T& y)
//	{
//		return x < y;
//	}
//};
//
//
//
//int main()
//{
//	//test_priority_queue();
//
//	Less<int> lessFunc;
//	cout << lessFunc(1, 2) << endl;
//	cout << lessFunc(2, 1) << endl;
//
//	return 0;
//}

int main()
{
	zl::test_priority_queue();
	//zl::test_priority_queue2();

	return 0;
}