C++: 优先级队列的模拟实现和deque

目录

 一、优先级队列

 1.1优先级队列 priority_queue介绍

1.2优先级队列的使用

1.3priority_queue的模拟实现

二、deque

2.1deque介绍

2.2deque的优缺点

2.3为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

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 一、优先级队列

 1.1优先级队列 priority_queue介绍

 1.11 优先级队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序，它的第一个元素总是它所有元素中最大  的。

适配器：是一种设计模式（设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结），这种设计模式将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。比方说，在stack里面，把push接口转换成调用另一个容器的push_back，这个容器的类放在私有里，是根据初始化来定的，你希望这个底层容器是vector，那么在调用stack的push时，实际调用的就是vector的push_back进行插入元素操作。stack只是一个壳子，vector才是存储数据的底层，只是取数据和其他操作，得按照stack的特点进行。

容器适配器：虽然stack和queue也可以存放元素，但在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称之为容器适配器，因为stack和queue只是对其他容器进行了包装，STL中stack和queue默认底层容器使用deque。

deque后文介绍。

1.12 此上下文环境类似于堆，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）

1.13 优先队列被实现为容器适配器，容器适配器就是将特定容器封装作为它的底层容器，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，其称之为优先队列的顶部。

1.14 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。底层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(): 返回容器的元素个数

front(): 返回容器的第一个元素

push_back(): 尾插一个元素进容器

pop_back(): 尾删一个元素

1.15 标准容器类vector和deque满足这些要求，如果没有指定特定容器类实例化priority_queue，一般使用vector作为其底层容器。

1.16 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。

1.2优先级队列的使用

优先级队列默认使用vector作为其底层存储结构的容器，在vector上又加了堆算法，令vector成为堆结构。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常用的函数和接口说明                                                                          

函数接口	接口说明
priority_queue()/priority_queue(first,last)	构造函数，第一个是构造一个空的优先级队列，第二个是用迭代器指向的区间进行构造
empty()	队列是否是空
push(x)	在优先级队列中插入一个元素x
pop()	删除优先级队列中的堆顶元素
top()	返回优先级队列中的堆顶元素

1.3priority_queue的模拟实现

为了防止前面数据结构的建堆都忘了，代码我会注释一下的。

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <list>namespace ting
{//创建一个仿函数，为元素的大小比较提供template<class T>struct less{//()操作符重载，这样less实例化的对象（如compare）在调用该函数时，就直接compare()，//括号里填参数就好。通过()操作符重载，把一个类对象当作函数来使用，非常方便。bool operator()(const T& p1, const T& p2){return p1 < p2;}};template<class T, class container = vector<int>,class Compare = less<T>>class priority_queue{Compare _compare;public:priority_queue(const Compare& comFunc = Compare())//Compare是一个类，后面
//没写类名意思是匿名对象，然后用comFunc给了它名字。
//得到名字的comFunc传给_comFunc,如果是less就less，Greater就 //Greater，不传就默认用Compare()，默认是比小                                      :_compare(comFunc){}template<class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last, const Compare& comFunc = Compare()):_compare(comFunc){while (first != last){_cn.push_back(*first);++first;}//向下调整建大堆for (int i = (_cn.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i){AdjustDown(i);//从最后一颗树的父亲节点开始调，每次调一颗树}}void AdjustDown(size_t parent)//向下调整，从父亲节点开始调{size_t child = 2 * parent + 1;//孩子节点是父亲节点的2倍+1，设定为左孩子while (child < _cn.size())//比到最后一个孩子节点{//如果右孩子比左孩子大，左孩子就被右孩子取代。if (child + 1 < _cn.size() - 1 && _compare(_cn[child],_cn[child+ 1])){++child;}//父亲节点的值和两个孩子中更大的值比较，父亲节点小就交换位置，继续往下比if (child < _cn.size() && _compare(_cn[parent], _cn[child])){swap(_cn[parent], _cn[child]);parent = child;child = 2 * parent + 1;}else//如果父亲没有比孩子节点再小了，那后面的已经是一个堆了，不用再调整{break;}}}void AdjustUp(size_t child)//向上调整，从最后一个孩子节点开始调，所以是对尾插的元素进//行调整{size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_compare(_cn[parent], _cn[child]))//如果父亲节点小于孩子，交换位置{swap(_cn[parent], _cn[child]);parent = child;child = 2 * parent + 1;}else//如果父亲节点不小于，那放在这不用管了。{break;}}}bool empty(){return _cn.empty();}size_t size(){return _cn.size();}void push(const T& x)//尾插时，这里已经是一个堆了，所以前面的不用调，从最后一个开始{_cn.push_back(x);AdjustUp(_cn.size()-1);//最后一个节点是孩子节点，适用于向上调整}void pop(){assert(!empty());swap(_cn[0], _cn[_cn.size() - 1]);_cn.pop_back();//删除头节点以后，最后面的节点到第一个，就要从第一个开始调AdjustDown(0);//所以是向下调整}const T& Top(){return _cn[0];}private:container _cn;};void test1(){int a[] = { 1, 4, 2, 7, 8, 9 };priority_queue<int> pq(a, a + 6);while (!pq.empty()){cout << pq.Top() << " ";pq.pop();}}
}

二、deque

2.1deque介绍

deque（双端队列）：是一种双开口的“连续”空间的数据结构，双开口的含义是：可以再头尾两端进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)，与vector比较，头插效率高，不需要搬移元素，和list比较，空间利用率比较高。

deque并不是真正连续的空间，而是由一小段连续的小空间拼接而成，实际deque类似于一个动态的二维数组。

它先开辟一块指针数组，每一个指针都指向一块大小相等的空间（比如40个字节），平常插入删除元素就在指针指向的空间里操作，而且一般是从中间的空间开始用。这样当这块指针空间也被填满时，就重新动态开辟一块连续的空间。

双端队列底层是一块假象的连续空间，实际上是分段连续的，指针指向的空间是连续的。但指针指向某一块连续空间，和前一个指针指向的连续空间之间未必是连续的。后一个指针指向的连续空间是从堆区开辟的。要用的时候才开辟，这怎么连续？

2.2deque的优缺点

与vector比较，deque的优势是：头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高，而且在扩容时，也不需要搬移大量的元素，因此其效率是比vector高的。

与list比较:其底层是连续空间，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。

但是deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，迭代器要频繁去检测是否移到某段小空间的边界，导致效率低下。而序列式场景中，经常需要遍历，大多数情况下优先考虑vector和list。deque的应用并不多，而且目前看到的应用就是作为STL中stack和queue的底层默认容器。

2.3为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

1.stack和queue不需要遍历，因此stack和queue也没有迭代器，它们只需要在固定的一段进行操作就好。

2.在stack中元素增长时，deque比vector的效率高（扩容时不需要搬移大量数据）；deque中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

这结合了deque的优点，而且完美避开了其缺点。