优先级队列的实模拟实现

news2025/5/18 4:39:26

优先级队列底层默认用的是vector来存储数据,实现了类似我们数据结构中学习过的堆的队列,他的插入和删除都是优先级高先插入和删除。下面我们来模拟实现它们常见的接口来熟悉优先级队列。

仿函数

在介绍优先级队列之前,我们先熟悉一个概念,叫做仿函数,顾名思义,仿函数不是函数,它的底层是一个类,类中public部分实现()重载,使得我们可以像调用函数一样调用它,因此我们叫它为仿函数。有了仿函数,我们可以泛型书写代码实现更便捷的代码。

函数特化

函数模板的特化步骤:
1. 必须要先有一个基础的函数模板
2. 关键字 template 后面接一对空的尖括号 <>
3. 函数名后跟一对尖括号,尖括号中指定需要特化的类型
4. 函数形参表 必须要和模板函数的基础参数类型完全相同,如果不同编译器可能会报一些奇
怪的错误。
	template<class T>
	class less
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};
	template<class T>//偏特化,当传的是指针的时候,我们可以调用它的解引用来比较,因为大部分情况下比较地址的意义比较小
	class less<T*>
	{
	public:
		bool operator()(const T* const& x, const T* const& y)
		{
			return *x < *y;
		}
	};
	template<class T>
	class greater
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

全特化

全特化是将函数的模版参数全部确定,就是将T全部指定。具体实现方式如下:

template<class T1, class T2>
class Data
{
public:
Data() {cout<<"Data<T1, T2>" <<endl;}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};
template<>
class Data<int, char>
{
public:
Data() {cout<<"Data<int, char>" <<endl;}
private:
int _d1;
char _d2;
};

这里指定T的类型为int和char就是全特化。

偏特化

部分特化

将模板参数类表中的一部分参数特化。
将第二个参数特化为int,第二个参数不特化
template <class T1>
class Data<T1, int>
{
public:
Data() {cout<<"Data<T1, int>" <<endl;}
private:
T1 _d1;
int _d2;
};

参数更进一步的限制

对函数T的类型进一步进行限制。

//两个参数偏特化为指针类型
template <typename T1, typename T2>
class Data <T1*, T2*>
{
public:
Data() {cout<<"Data<T1*, T2*>" <<endl;}
private:
T1 _d1;
T2 _d2;
};

其次,我们可以看到第二个less我们实现时在类名后加了<T*>,这是偏特化的实现,C++支持这种语法是因为当我们T被实例化为地址时,我们比较它们的地址大部分是没有意义的,所以我们要特指当T被实例化为T*时,我们调用偏特化的仿函数,其中T仍然为类型,这样便于我们修改T。

最后,偏特化的匹配规则是有现成实现的吃现成的,没有现成的才去实例化实现。

优先级队列模拟实现

了解一个前置知识后,我们来模拟实现优先级队列进行熟悉代码,了解底层。

整体框架

template<class T, class Container, class Compare = less<T>>
class priority_queue
{
public:

private:
	Container _con;
};

构造函数

先实现构造函数,构造函数我们利用了别的现有的容器来实现,编译器会自动调用这个容器中的构造函数,所以我们不需要进行显示实现。

priority_queue()//为什么是空构造
{

}

尾插 

由于优先级队列是按堆的形式建立的,需要进行向上调整和向下调整来实现大堆或者小堆。

利用vector中的push_back实现尾插,然后在尾插的部分进行向上调整。

void push(const T& x)
{
	_con.push_back();
	adjustup(_con.size()-1);
}

删除

由于按堆实现,我们不能直接进行删除,为了不干扰整个堆的结构,我们把头删的元素与最后一个元素进行交换,然后进行向下调整即可。

void pop()
{
	std::swap(_con[0], _con[_size - 1]);
	_con.size() = _con.size() - 1;
/*	_con.pop_back();*/
	adjustdown(0);
}

top取堆顶元素

这个比较简单,我们直接取堆顶元素即可。

	const T& top() const//取栈顶元素
	{
		return _con[0];
	}

判空

我们利用现有的vector容器进行判空即可,可以进一步理解栈和队列的实现方式。它们实现方式都是类似的,都是利用了现有的容器进行的。

bool empty() const//判断空
{
	if (_con.size() == 0)
		return true;
	else return false;
}

返回元素个数

也是一样,利用现有容器的size()函数进行实现。

	size_t size() const
	{
		return _con.size();
	}

向下调整和向上调整

我们不对外提供向上调整和向下调整的接口,所以把它设为私有函数。

知道孩子求父亲是(child-1)/2是父亲的下标,默认建大堆的情况,如果父亲小于孩子,父亲孩子交换,父亲下标赋值给孩子下标,然后再根据孩子下标求父亲小标再次进比较直到堆顶。

向下调整是知道堆顶元素向下调整,知道父亲求孩子是parent*2+1,求下来是左孩子节点,由于堆顶要最大的元素,所以我们在保证右孩子存在的情况下判断左右孩子的大小,然后和向上调整一样进行操作即可。

private:
	void adjustup(int child)//向上调整要给下标进行下标访问调整
	{
		Compare com;
		int parent = (child - 1) / 2;
		while (child > 0)
		{
			//if (_con[parent] < _con[child])
			if (com(_con[parent], _con[child]))
			{
				swap(_con[child], _con[parent]);

				// 父亲大父亲向上调整
				child = parent;
				parent = (child - 1) / 2;
			}
			else
			{
				break;
			}
		}
    }
	void adjustdown(int parent)//同理,向下调整要给下标进行下标访问建大堆
	{//目标就是把最大的往上放,即父节点为max
		int child = parent * 2 + 1;//左孩子
		while (child<_con.size())
		{
			if (chile + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
			{//保证右孩子存在的情况下,右孩子大的话让右孩子向上调整
				child++;
			}
			if (_con[parent] < _con[child])
			{
				swap(_con[parent] < _con[child]);
			/*	child = parent;
				parent = parent * 2 + 1;*/
				parent = child;
				child = parent * 2 + 1;
			}
		}
	}

最后我们给出整个优先级队列的实现方式:

#pragma once
#include<vector>
namespace bit//仿函数,其实是类,内部进行重载,可以像类一样被调用
{
	template<class T>
	class less
	{
	public:
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};
	template<class T>//偏特化,当传的是指针的时候,我们可以调用它的解引用来比较,因为大部分情况下比较地址的意义比较小
	class less<T*>
	{
	public:
		bool operator()(const T* const& x, const T* const& 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, class Compare = less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		priority_queue()//为什么是空构造
		{

		}
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back();
			adjustup(_con.size()-1);
		}
		void pop()
		{
			std::swap(_con[0], _con[_size - 1]);
			_con.size() = _con.size() - 1;
		/*	_con.pop_back();*/
			adjustdown(0);
		}
		const T& top() const//取栈顶元素
		{
			return _con[0];
		}
		bool empty() const//判断空
		{
			if (_con.size() == 0)
				return true;
			else return false;
		}
		size_t size() const
		{
			return _con.size();
		}
	private:
		void adjustup(int child)//向上调整要给下标进行下标访问调整
		{
			Compare com;
			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//if (_con[parent] < _con[child])
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);

					// 父亲大父亲向上调整
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
	    }
		void adjustdown(int parent)//同理,向下调整要给下标进行下标访问建大堆
		{//目标就是把最大的往上放,即父节点为max
			int child = parent * 2 + 1;//左孩子
			while (child<_con.size())
			{
				if (chile + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
				{//保证右孩子存在的情况下,右孩子大的话让右孩子向上调整
					child++;
				}
				if (_con[parent] < _con[child])
				{
					swap(_con[parent] < _con[child]);
				/*	child = parent;
					parent = parent * 2 + 1;*/
					parent = child;
					child = parent * 2 + 1;
				}
			}
		}
	private:
		Container _con;
	};

}

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