C++笔记：容器适配器：优先级队列（priority_queue）模拟实现

文章目录

    • 框架
    • (constructor)
    • size()、empty()、top()
    • push()
      • 声明
      • 参数
      • 实现
      • 代码
    • pop()
      • 声明
      • 实现
      • 代码
    • 仿函数与函数指针
      • 仿函数的定义
      • 仿函数实现回调
      • 函数指针实现回调
      • adjust_up 和 adjust_down 的改进
  • 完整代码

容器适配器（Container Adapter）是一种 C++ 中的抽象数据类型，它提供了一种在指定底层容器基础上进行封装，以实现特定功能的方式。容器适配器并不是独立的容器类型，而是建立在其他容器之上的封装，通过提供不同的接口或限制来满足特定需求。

priority_queue（优先级队列）就是一个容器适配器，是数据结构上的堆（Heap）的实现，库中的声明如下：

template <class T, class Container = vector<T>,class Compare = less<typename Container::value_type> > class priority_queue;
  • T：指数据元素的类型。
  • Container ：指存储元素的内部基础容器对象的类型，默认以 vector 进行适配。
  • Compare ：仿函数对象的类型。（什么是仿函数后面会说）

基础容器可以是库里有的，也可以是自己实现的，但都应当满足以下要求：

  1. 要求应可通过随机访问迭代器访问
  2. 支持以下内容 operations:
    • empty()
    • size()
    • front()
    • push_back()
    • pop_back()

框架

本次模拟实现只是，简单的模拟实现，旨在加深对 priority_queue 的理解和了解和使用仿函数，主要参考 C++98 版本的 priority_queue。进行模拟实现。

priority_queue 类的大致框架如下：

template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T> >
class priority_queue
{
public:// priority_queue 该提供以下接口priority_queue(const Container& ctnr = Container(), const Compare& comp = Compare());template <class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last);bool empty() const;size_t size() const;const T& top() const;void push(const T& x);void pop();private:void adjust_up(size_t child);void adjust_down(size_t parent);private:Container _c;Compare _comp;
};

(constructor)

C++98版本的 priority_queue 的构造函数重载有两个版本，一个是全缺省的默认构造函数，另一个是迭代器区间构造函数。

// 全缺省默认构造
priority_queue(const Container& ctnr = Container(), const Compare& comp = Compare()): _c(ctnr), _comp(comp)
{}// 迭代器范围区间构造
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)// 先调用 Container 对象的 range constructor: _c(first, last)
{// 从最后一个非叶子结点开始向下调整成堆结构int count = size();int root = ((count - 2) >> 1);for (; root >= 0; --root){adjust_down(root);}
}

size()、empty()、top()

这三个不是重点，且实现起来比较简单。

size_t size() const
{return _c.size();
}bool empty() const
{return _c.empty();
}// 堆顶数据不可被修改，堆顶元素被修改会破坏堆的特性
const T& top() const
{return _c.front();
}

push()

声明

void push (const T& val);

参数

形参 val 是待插入对象
val 类型是 const T&，引用传参是为了降低传参消耗。

实现

  1. 先将 val 插入到堆的末尾，即最后一个孩子之后。
  2. 插入之后如果堆的性质遭到破坏，将新插入结点顺着双亲往上调整到合适位置。

代码

void push(const T& x)
{// 1. 对象插入数据_c.push_back(x);// 2. 向上调整adjust_up(_c.size() - 1);
}// 向上调整算法
void adjust_up(size_t child)
{size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_c[parent] < _c[child]){swap(_c[parent], _c[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}
}

pop()

声明

void pop();

实现

  1. 将堆顶元素与堆中的最后一个元素进行交换。
  2. 删除堆中最后一个元素。
  3. 从堆顶元素位置开始向下调整到满足堆特性为止。

代码

void pop()
{if (empty())return;// 交换堆顶和末尾swap(_c[0], _c[_c.size() - 1]);// 删除末尾位置元素_c.pop_back();// 堆顶位置向下调整adjust_down(0);
}// 向下调整算法
void adjust_down(size_t parent)
{size_t child = (parent * 2) + 1;while (child < _c.size()){if (child + 1 < _c.size() && _c[child] < _c[child + 1]){child += 1;}if (_c[parent] < _c[child]){swap(_c[parent], _c[child]);parent = child;child = (parent * 2) + 1;}else{break;}}
}

仿函数与函数指针

// adjust_up 
if (_c[parent] < _c[child])// adjust_down 
if (child + 1 < _c.size() && _c[child] < _c[child + 1])
if (_c[parent] < _c[child])

这几句代码写死了，priority_queue 实现的堆只能是大堆，但是通过直接修改源代码的方式来进行大小堆的切换是不现实的，更推荐的做法是通过回调函数控制比较逻辑，C语言采用函数指针实现，C++更喜欢使用仿函数（函数对象）。

仿函数的定义

仿函数（Functor）是一种行为类似函数的对象，类中重载了函数调用运算符 operator()，通过这种方式，对象就可以像函数一样被调用。

class less
{
public:bool operator()(int x, int y){return x < y;}
};
int main()
{// 实例化对象 lessfuncless lessfunc;// 调用成员函数cout << lessfunc(1, 2) << endl;cout << lessfunc.operator()(1, 2) << endl;return 0;
}

乍一看我们会认为lessfunc是函数名，但其实它是一个对象，它通过运算符重载让这个对象能够仿造函数的形式来使用。

仿函数实现回调

现在有一个 A 类，类中有一个成员方法 func() 作用是比较两个整型数据的大小，func() 通过使用仿函数回调 less 类对象、greater 类对象中的方法来实现 func() 中比较逻辑的控制，做法如下：

class less
{
public:bool operator()(int x, int y){return x < y;}
};class greater
{
public:bool operator()(int x, int y){return x > y;}
};template<class Compare>
class A
{
public:// 功能：比较两个int数据的大小，返回比较结果void func(int xx, int yy){Compare com;cout << com(xx, yy) << endl;}
};int main()
{A<less> a1;a1.func(100, 200);A<less> a2;a2.func(100, 200);return 0;
}

函数指针实现回调

现在有一个 A 类，类中有一个成员方法 func() 作用是比较两个整型数据的大小，func() 通过函数指针回调全局函数 lessfc、greaterfc 来控制 func() 的比较逻辑，做法如下：

bool lessfc(int x, int y)
{return x < y;
}bool greaterfc(int x, int y)
{return x > y;
}// A 类回调 lessfc、greater
class A
{
public:A(bool(*pf)(int, int)):_pf(pf){}// 控制 xx，yy 的比较逻辑void func(int xx, int yy){cout << _pf(xx, yy) << endl;}private:bool(*_pf)(int, int);
};int main()
{A a(lessfc);// 比较大小cout << a.func(100, 200) << endl;A a(greaterfc);// 比较大小cout << a.func(100, 200) << endl;return 0;
}

相较于仿函数实现，函数指针实现有几个缺陷：

  1. 函数指针类型写起来复杂。
  2. 函数指针只能通过函数参数的形式来传递，这就被迫要求实现构造函数，同时还要用一个成员变量来保存传递进来的函数指针，以便使用。

adjust_up 和 adjust_down 的改进

template<class T>
class less
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}
};template<class T>
class greater
{
public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}
};
template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T> >
class priority_queue
{
public:// push()...// pop()...
private:void adjust_up(size_t child){size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if (_c[parent] < _c[child])if (_comp(_c[parent], _c[child])){swap(_c[parent], _c[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void adjust_down(size_t parent)
{size_t child = (parent * 2) + 1;while (child < _c.size()){//if (child + 1 < _c.size() && _c[child] < _c[child + 1])if (child + 1 < _c.size() && _comp(_c[child], _c[child + 1])){child += 1;}//if (_c[parent] < _c[child])if (_comp(_c[parent], _c[child])){swap(_c[parent], _c[child]);parent = child;child = (parent * 2) + 1;}else{break;}}
}private：Container _c;Compare _comp;
};

完整代码

namespace ljh
{#include<vector>template<class T>class less{public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}};template<class T>class greater{public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}};template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T> >class priority_queue{public:priority_queue(const Container& ctnr = Container(), const Compare& comp = Compare()): _c(ctnr), _comp(comp){}template <class InputIterator>priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)// 先调用 Container 对象的 range constructor: _c(first, last){// 从最后一个非叶子结点开始向下调整成堆结构int count = size();int root = ((count - 2) >> 1);for (; root >= 0; --root){adjust_down(root);}}bool empty() const{return _c.empty();}size_t size() const{return _c.size();}// 堆顶数据不可被修改，堆顶元素被修改会破坏堆的特性const T& top() const{return _c.front();}void push(const T& x){// 1. 对象插入数据_c.push_back(x);// 2. 向上调整adjust_up(_c.size() - 1);}void pop(){if (empty())return;// 交换堆顶和末尾swap(_c[0], _c[_c.size() - 1]);// 删除末尾位置元素_c.pop_back();// 堆顶位置向下调整adjust_down(0);}private:void adjust_up(size_t child){size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if (_c[parent] < _c[child])if (_comp(_c[parent], _c[child])){swap(_c[parent], _c[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void adjust_down(size_t parent){size_t child = (parent * 2) + 1;while (child < _c.size()){//if (child + 1 < _c.size() && _c[child] < _c[child + 1])if (child + 1 < _c.size() && _comp(_c[child], _c[child + 1])){child += 1;}//if (_c[parent] < _c[child])if (_comp(_c[parent], _c[child])){swap(_c[parent], _c[child]);parent = child;child = (parent * 2) + 1;}else{break;}}}private:Container _c;Compare _comp;};
}

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