【C++】deque以及优先级队列

deque的介绍

deque的原理介绍

deque（双端队列）：是一种双开口的“连续”空间的数据空间，双开口的含义是：可以在头尾俩段进行插入和删除操作，且时间复杂度为O(1)。

与vector相比，头插效率高，不需要搬移元素；
与list相比，空间利用率高。

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组。

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器的设计就比较复杂。

下面是deque借助迭代器维护其假象连续的结构。

priority_queue的介绍与使用

priority_queue的介绍

• std::priority_queue
• template <class T, class Container = vector,
• class Compare = less< typename Container::value_type > > class priority_queue;

【说明】
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.优先级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，priority_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，其称为优先级队列的顶部。
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满足这些要求，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，以便始终在内部类保持堆结构。容器适配器通过在需要是自动调用算法函数make_heap、push_heap、pop_heao来自动完成此操作。

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上又使用堆算法将vector中的元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所以需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。

【注意】默认情况下priority_queue是大堆。

constructor（构造函数）

• 构造一个空的优先级队列

	priority_queue<int> pq;

empty

• 检测优先级队列是否为空，是返回true，否则返回false

	priority_queue<int> pq;if (!pq.empty()){cout << "非空" << endl;}

push

• 在优先级队列中插入元素x

	priority_queue<int> pq;pq.push(1);

pop

• 删除优先级队列中最大（最小）的元素，即删除堆顶元素。

【注意】：
1.默认情况下，priority_queue是大堆。
2.如果在priority_queue中放自定义类型的数据，用户需要在自定义类型中提供>或者<的重载。

top

• 返回优先级队列中最大（最小元素），即堆顶元素。

	priority_queue<int> pq;pq.push(1);pq.push(3);pq.push(2);pq.push(7);pq.push(5);cout << pq.top() << endl;

size

• 返回元素个数

	priority_queue<int> pq;pq.push(1);pq.push(3);pq.pop();cout << pq.size() << endl;

priority_queue的模拟实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<functional>namespace bit
{template<class T, class Container = std::vector<T>, class Comapre = std::less<T>>class priority_queue{private:void AdjustDown(int parent){Comapre com;size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){++child;}if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void AdjustUp(int child){Comapre com;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}public:priority_queue(){}template<class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last){while (first != last){_con.push_back(*first);++first;}// 建堆for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){AdjustDown(i);}}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();AdjustDown(0);}void push(const T& x){_con.push_back(x);AdjustUp(_con.size() - 1);}const T& top(){return _con[0];}bool empty(){return _con.empty();}size_t size(){return _con.size();}private:Container _con;};
}

仿函数

仿函数（Functor）是一种重载函数调用运算符()或结构体，它可以像函数一样被调用。通过重载函数调用运算符，仿函数可以实现自定义的操作行为。

仿函数可以像普通函数一样接受参数，并返回结果。它可以用于函数对象的传递，函数指针的替代，算法的灵活性场景等。

template<class T>
class Less
{
public:bool operator()(T& val1, T& val2){return val1 < val2;}
};int main()
{Less<int> cmp;int num1 = 10;int num2 = 20;cout << cmp(num1, num2) << endl;return 0;
}

何为适配器

我们从前文的学习中以及了解到，stack与queue都是容器适配器。那么什么是适配器呢？

• 适配器是一种设计模式（设计模式是一套被反复使用的，多人知晓的，经过分类编目的，代码设计经验的总结），该种模式是将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。
• 设配器（adaptor）是标准库中的一个通用概念。容器、迭代器和函数都有迭代器。本质上，一个迭代器是一种机制，能使某种事物的行为看起来像另外一种事物一样。

换句话来讲，适配器是将已有的东西进行相关的设配转换。

容器适配器

虽然在之前的学习中，stack与queue中也可以存放元素，但是在STL中并没有将其划分在容器的行列，而是将其称为容器适配器，这是因为stack和queue只是对其他容器的接口进行了包装，STL中stack与queue默认使用deque。

默认情况下，stack和queue是基于deque实现的，priority_queue是在vector之上实现的。

deque的缺陷

• 优势
  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vetcor高的。
  与list相比，其底层是连续空间，空间的利用率比较高，不需要存储额外字段。

• 缺点
  deque有一个致命的缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list，deque的应用并不多，而目前能看到的一个应用就是，STL用其作为stack和queue的底层数据结构。

选择deque作为适配器的理由

stack是一种后进先出的特殊线性数据结构，因此只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以；

queue是先进先出的特殊线性数据结构，只要具有push_back()和pop_front()操作的线性结构，都可以作为queue的底层容器，比如list。

但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器，主要是因为：

1.stack和queue不需要遍历（因此stack和queue没有迭代器），只需要在固定的一端或者俩端进行操作。
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）；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

STL标准库中对stack与queue的模拟实现

stack的模拟实现

#include<deque>
namespace bite
{template<class T, class Con = deque<T>>//template<class T, class Con = vector<T>>//template<class T, class Con = list<T>>class stack{public:stack() {}void push(const T& x) { _c.push_back(x); }void pop() { _c.pop_back(); }T& top() { return _c.back(); }const T& top()const { return _c.back(); }size_t size()const { return _c.size(); }bool empty()const { return _c.empty(); }private:Con _c;};
}

queue的模拟实现

#include<deque>
#include <list>
namespace bite
{template<class T, class Con = deque<T>>//template<class T, class Con = list<T>>class queue{public:queue() {}void push(const T& x) { _c.push_back(x); }void pop() { _c.pop_front(); }T& back() { return _c.back(); }const T& back()const { return _c.back(); }T& front() { return _c.front(); }const T& front()const { return _c.front(); }size_t size()const { return _c.size(); }bool empty()const { return _c.empty(); }private:Con _c;};
}

反向迭代器

反向迭代器就是在容器中从尾元素像首元素反向移动的迭代器。对于反向迭代器，递增（以及递减）操作的含义都会颠倒过来。递增一个反向迭代器（++it）会移动到前一个元素；递减一个反向迭代器（- -it）会移动到下一个元素。

反向迭代器跟正向迭代器对称关系——镜像关系。