深入浅出C++ ——priority_queue类深度剖析

一、priority_queue类简介

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. 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。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。

  以上内容来自：www.cplusplus.com priority_queue类文档的介绍，在STL的学习中，推荐大家看这个文档，对每个类都有详细的介绍。

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总结

  优先级队列 (priority_queue) 属于STL中的容器适配器，其底层存储数据的容器默认使用vector，并且使用堆算法使得vector中的元素构造成堆的结构。所以，可以说优先级队列 (priority_queue) 就是堆，默认情况下是大堆。在使用时，与queue相同，要引入头文件#include<queue>。

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二、priority_queue类常用接口

函数名称	功能说明
priority_queue()	构造一个空的优先级队列
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

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priority_queue类常用接口应用

#include<iostream>
#include<queue>
#include<vector>
#include<functional> 
using namespace std;int main()
{vector<int> v = { 10,60,50,20 };//priority_queue<int> pq;priority_queue<int> pq(v.begin(),v.end());pq.push(30);while (!pq.empty()){cout<< pq.top()<<" ";pq.pop();}return 0;
}

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三、priority_queue类的使用

切换大小堆

   默认情况下，priority_queue是创建的是大堆，其底层按照小于号比较，默认模板参数为template<class T, class Container =std::vector<T>, class Compare = std::less<T>>；如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater即可，例如priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq2(v.begin(), v.end());

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greater<int>和less<T>

  greater和less的头文件为#include <functional>，具体实现见第三节模拟实现部分。 <functional>是C++标准库中的一个头文件，定义了C++标准中多个用于表示函数对象的类模板，包括算法操作、比较操作、逻辑操作；

  建堆时，less<T>是大顶堆，堆元素是从大到小；greater<T>是小顶堆，堆元素是从小到大。

  排序时，less<T>是升序，数组元素是从小到大；greater<T>是降序堆，数组元素是从大到小。

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如果priority_queue中放自定义类型的数据，需要在自定义类型中提供> 或者< 的重载

class Date
{
public:Date(int year = 2023, 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;
};void TestPriorityQueue()
{// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载priority_queue<Date> q1;q1.push(Date(2023, 1, 2));q1.push(Date(2023, 1, 3));q1.push(Date(2023, 1, 4));cout << q1.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(2023, 1, 2));q2.push(Date(2023, 1, 3));q2.push(Date(2023, 1, 4));cout << q2.top() << endl;
}

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四、STL中priority_queue类的模拟实现

#pragma once
#include<vector>namespace MyPriority_queue
{template<class T>struct less{bool operator()(const T& l, const T& r){return l < r;}};template<class T>struct greater{bool operator()(const T& l, const T& r){return l > r;}};template<class T, class Container =std::vector<T>, class Compare = std::less<T>>class priority_queue{public://typedef typename Container::value_type VT;void AdjustUp(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 push(const T& x){_con.push_back(x);AdjustUp(_con.size() - 1);}void AdjustDwon(size_t parent){Compare com;size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){//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[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();AdjustDwon(0);}T top(){return _con[0];}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};
}