【C++ STL】-- priority_queue底层原理、使用、模拟实现

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priority_queue的使用：

priority_queue的默认定义的模板：

priority_queue的定义并初始化：

priority_queue的模拟实现：

堆的排序算法：

堆的向上调整算法核心：

堆的向下调整算法核心：

priortiy_queue接口的模拟实现

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priority_queue的使用：

priority_queue文档介绍

        priority_queue是一个拥有权值观念的queue，它允许加入新元素、移除旧元素、审视旧元素等功能，由于其是一个queue，所以只允许在底端插入元素，并从顶端取出元素，除此之外别无其它存取元素的途径。         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。

priority_queue的默认定义的模板：

注意：

• 默认情况下priority_queue是大堆。
• 默认情况下priority_queue是以vector作为底层容器

（大多数情况下都是使用vector作为底层容器即可，我们需要变动的只是存储类型、构造堆结构的形式）

方式一：规定的存储类型，默认内部构造大堆结构

//int类型：
priority_queue<int> q1;
//double类型
priority_queue<double> q2;

方式二：默认内部构造小堆结构

priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q;

priority_queue的定义并初始化：

template <class InputIterator>
         priority_queue (InputIterator first, InputIterator last,
                         const Compare& comp = Compare(),
                         const Container& ctnr = Container());

vector<int> v{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
//使用大堆结构
priority_queue<int> q1(v.begin(), v.end());
//使用小堆结构
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());

empty	测试容器是否为空（公共成员函数）
size	返回大小（公共成员函数）
top	访问顶部元素（公共成员功能）
push	插入元素（公共成员函数）
emplace	(C++11)构造并插入元素（公共成员函数）
pop	删除顶部元素（公共成员函数）
swap	(C++11)交换内容（公共成员函数）

#include<iostream>
#include<queue>
#include<list>
using namespace std;
int main() {
	priority_queue<int> q1;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		q1.push(i);
	}
	//q1：9 8 5 6 7 1 4 0 3 2

	vector<int> v{ 10,20,30 };
	priority_queue<int> q2(v.begin(), v.end());
	//q2：30 20 10

	q2.swap(q1);
	cout << q1.size() << endl;//输出：3
	cout << q2.size() << endl;//输出：10
	//q1：30 20 10
	//q2：9 8 5 6 7 1 4 0 3 2

	while (!q1.empty()) {
		cout << q1.top() << " "; 
		q1.pop();
	}
	cout << endl;
	//输出：30 20 10

    return 0;
}

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priority_queue的模拟实现：

注意，下标计算父子间的关系：

• leftchild = parent * 2 + 1
• rightchild = parent * 2 + 2
• parent = (child - 1) / 2 (因为只会保留整数部分)

堆的排序算法：

       此处以小根堆为例；(向上调整算法用于存入数据）。

堆的向上调整算法核心：

（父节点与子节点大小的比较，子对父）

• 如果比父亲小，则交换，然后继续向上比较并调整（最多调整到跟节点就结束了）。
• 如果比父亲大，则调整结束。

堆的向下调整算法核心：

（父节点与子节点大小的比较，父对子）

• 如果比父亲小，则交换，然后继续向下比较并调整。（最多调整到叶子节点就结束了）
• 如果比父亲大，则调整结束。

本人的堆的算法博客：

• 【C语言】-- 数据结构 -- 堆的实现（小堆）
• 【C语言】-- 数据结构 -- 利用堆排序【具体函数实现】

priortiy_queue接口的模拟实现

        只要知道了堆的向上排序调整算法和向下排序调整算法后，其实prirotiy_queue的模拟实现几乎已经可以说是完成了。

成员函数	实现方法
push	利用容量适配器本身的push_back()，并结合堆的向上调整算法。
pop	根据堆的排序思维，利用swap(),将第一个元素与最后一个元素交换位子（确保中间元素的堆序不被打乱），然后容量适配器本身的pop_back()，再使用堆的向下调整算法。
top	利用容量适配器本身的front()
size	利用容量适配器本身的size()
empty	利用容量适配器本身的empty()

难度提升：

        priortiy_queue是可以通过容量适配器实现less与gtreater实现，内部堆排序的结构不同。既然需要less与greater，我们也模拟实现一下。

template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>

template<class T>
class less { bool operator()(T& e1, T& e2) { return e1 < e2; } };
template<class T>
class greater { bool operator()(T& e1, T& e2) { return e1 > e2; } };

#include<iostream>
#include<assert.h>
#include<vector>
using namespace std;
namespace qcr{

	template<class T>
	class less { bool operator()(T& e1, T& e2) { return e1 < e2; } };
	template<class T>
	class greater { bool operator()(T& e1, T& e2) { return e1 > e2; } };

	template<class T, class Container = std::vector<T>, class Compare = less<T>>
	class priority_queue {
	public:
		priority_queue():_con() {}
		template<class InputIterator>
		priority_queue(InputIterator begin, InputIterator end) : _con(begin, end) {
			//数据的输入
			//while (begin != end) {
			//	_con.push_back(*begin);
			//	++begin;
			//}

			//数据的大小堆建立
			for (int i = (_con.size() - 1 - 1) >> 1; i >= 0; --i)
				Adjust_down(i);
		}

		void Pop() {
			assert(!empty());

			swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
			_con.pop_back();
			Adjust_down(0);
		}

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

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

		void push(T x) {
			_con.push_back(x);
			Adjust_up(_con.size() - 1);
		}

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

		//向下排序
		void Adjust_down(size_t parent) {
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size()) {
				if (child + 1 < _con.size() && Compare()(_con[child], _con[child + 1]))
					++child;
				if (Compare()(_con[parent], _con[child])) {
					//将父节点子节点进行调换
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					//更新父、子节点的位置
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
				else{
					//堆已经建立成功
					break;
				}
					
			}
		}

		//向上排序
		void Adjust_up(size_t child) {
			size_t parent = (child - 1) >> 1;
			while (child) {
				if (Compare()(_con[parent], _con[child])) {
					//将父节点子节点进行调换
					std::swap(_con[parent], _con[child]);
					//更新父、子节点的位置
					child = parent;
					parent = (child - 1) >> 1;
				}
				else {
					//堆已经建立成功
					break;
				}
			}
		}
		Container _con;
	};
}

本文标签： 底层原理stlpriorityqueue