从零开始手写STL库–Priority_Queue的实现

Gihub链接：miniSTL

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一、priority_queue是什么？

优先队列在力扣刷题中可能会出现，实际上就是一个带有权重优先级的队列

在这个队列中，所有元素都会有一个权重，队列会根据权重来对元素排序

这也就是所谓的“优先”，而这个优先顺序是可以自己定义的

对int型优先队列，STL库默认是把数据从大到小排序的

所以难点在于如何排序，答案是基于堆来构建优先队列

那么问题也就明确了，所谓优先队列的考察，实际上是对数据结构–堆的考察

二、堆是什么？

堆（Heap）是一种特殊的完全二叉树，它满足下面的性质：

结构性质： 堆是一个完全二叉树，这意味着除了最后一层外，每一层都是完全填满的，而最后一层的节点则尽可能地集中在左边。

堆性质： 在一个最大堆（Max Heap）中，每个节点的值都大于或等于其子节点的值，根节点的值是堆中的最大值。相反，在一个最小堆（Min Heap）中，每个节点的值都小于或等于其子节点的值，根节点的值是堆中的最小值。

实际上堆可以用队列实现，不需要真的构建一个二叉树，只需要构建两个维护函数即可

三、priority_queue要包含什么函数

首先明确一下两个维护函数，即向上维护和向下维护

    void heapUp(){int index = data.size() - 1;while (index){int parentIndex = (index - 1) / 2;if(data[index] > data[parentIndex]){std::swap(data[index], data[parentIndex]);index = parentIndex;}else break;}}void heapDown() {int index = 0;int size = data.size();while (1) {int leftChild = 2 * index + 1;int rightChild = 2 * index + 2;int largest = index;if (leftChild < size && data[leftChild] > data[largest]) largest = leftChild;if (rightChild < size && data[rightChild] > data[largest]) largest = rightChild;if (largest != index) {std::swap(data[index], data[largest]);index = largest;} else break;}}

本处实现就不考虑string或者其他类型的队列了，只考虑int和double型队列

这里向上向下维护实际上就是堆排序的上浮和下沉

上浮：如果父节点比k结点小，就交换他们的位置
下沉：如果k结点比它的两个子结点小，则与较大的那个交换

之后就是正常的一层双向队列封装，只需要每次插入和删除的时候维护一下堆即可

template <typename T, typename Container = myDeque<T> >
class myPriQue
{
private:Container data;void heapUp(){int index = data.size() - 1;while (index){int parentIndex = (index - 1) / 2;if(data[index] > data[parentIndex]){std::swap(data[index], data[parentIndex]);index = parentIndex;}else break;}}void heapDown() {int index = 0;int size = data.size();while (1) {int leftChild = 2 * index + 1;int rightChild = 2 * index + 2;int largest = index;if (leftChild < size && data[leftChild] > data[largest]) largest = leftChild;if (rightChild < size && data[rightChild] > data[largest]) largest = rightChild;if (largest != index) {std::swap(data[index], data[largest]);index = largest;} else break;}}  public:myPriQue() {};myPriQue(const Container & c) : data(c) {int size = data.size();for(int i = (size / 2) - 1; i >= 0; i --) heapDown();}void push(const T & value){data.push_back(value);heapUp();}void pop(){if (!data.empty()){std::swap(data[0], data[data.size() - 1]);data.pop_back();heapDown();}else throw std::runtime_error("Stack is empty!");}T& top() {if (!data.empty()) return data[0];else throw std::runtime_error("Priority queue is empty.");}bool empty()  {return data.empty();}size_t size() const {return data.size();}
};

总结

优先队列一般也不会作为考察重点，在力扣中更多地是考虑如何利用vector或者queue自己构建一个专属的优先队列来解决问题，比如单调栈，实际上也是一种优先队列

只需要知道优先队列是以堆为基础构建的即可

至此，简单STL库实现教程完成。由于本人初学，博客中或许会有不对之处，也请读者指出，完整代码异步GitHub链接。