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上一篇博客：【C++】STL详解（七）—— stack和queue的使用及模拟实现

priority_queue的使用

priority_queue的介绍

优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，在vector上又使用了堆算法将vector中的元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的地方，都可以考虑使用priority_queue。

注意： 默认情况下priority_queue是大堆。

priority_queue的定义方式

方式一： 使用vector作为底层容器，内部构造大堆结构。

priority_queue<int, vector<int>, less<int>> q1;

方式二： 使用vector作为底层容器，内部构造小堆结构。

priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2;

方式三： 不指定底层容器和内部需要构造的堆结构。

priority_queue<int> q;

注意： 此时默认使用vector作为底层容器，内部默认构造大堆结构。

priority_queue各个接口的使用

priority_queue的各个成员函数及其功能如下：

成员函数	功能
push	插入元素到队尾（并排序）
pop	弹出队头元素（堆顶元素）
top	访问队头元素（堆顶元素）
size	获取队列中有效元素个数
empty	判断队列是否为空
swap	交换两个队列的内容

示例：

#include <iostream>
#include <functional>
#include <queue>
using namespace std;
int main()
{priority_queue<int> q;q.push(3);q.push(6);q.push(0);q.push(2);q.push(9);q.push(8);q.push(1);while (!q.empty()){cout << q.top() << " ";q.pop();}cout << endl; //9 8 6 3 2 1 0return 0;
}

仿函数

仿函数/函数对象也是类，是一个类对象。类对象可以像函数一样使用。仿函数要重载operator()，我们通过代码来看一看仿函数：

namespace sherry
{template <class T>class less{public:bool operator()(const T& x, const T& y)const{return x < y;}};template <class T>class greater{public:bool operator()(const T& x, const T& y)const{return x > y;}};}
int main()
{sherry::less<int> lessFunc;lessFunc(1, 2);lessFunc.operator()(1, 2);return 0;
}
//lessFunc是一个对象，仿函数对象，可以像函数一样使用

仿函数的作用在于：在C语言中我们通过传入函数指针解决升序降序问题，虽然C++兼容了C，但是C++并没有继续利用函数指针，而是通过仿函数来控制升序和降序，我们以之前写过的排序为例子，通过利用仿函数来实现升序和降序：

template<class T,class Compare>
void BubbleSort(T* a, int n, Compare com)
{for (int j = 0; j < n; j++){int exchange = 0;for (int i = 1; i < n - j; i++){//if (a[i]<a[i-1])if (com(a[i], a[i-1])){swap(a[i - 1], a[i]);exchange = 1;}}if (exchange == 0){break;}}
}
int main()
{sherry::less<int> lessFunc;sherry::greater<int> greaterFunc;lessFunc(1, 2);int a[] = { 2,3,4,5,6,1,2,8 };BubbleSort(a, sizeof(a) / sizeof(int),lessFunc);for (auto e : a){cout << e << " ";}cout << endl;BubbleSort(a, sizeof(a) / sizeof(int), greaterFunc);for (auto e : a){cout << e << " ";}cout << endl;return 0;
}

传值传参问题：这里是直接传值传参Compare com,当然也可以传引用传参const Compare& com,不过要记得加上const进行修饰，因为一般的仿函数比较小，问题不是很大。

priority_queue的模拟实现

priority_queue的底层实际上就是堆结构，实现priority_queue之前，我们先认识两个重要的堆算法。关于堆算法的具体讲解可以看这篇博客：【树与二叉树】二叉树顺序结构实现以及堆的概念及结构

堆的向上调整算法

以大堆为例，堆的向上调整算法就是在大堆的末尾插入一个数据后，经过一系列的调整，使其仍然是一个大堆。

调整的基本思想如下：

1、将目标结点与其父结点进行比较。
2、若目标结点的值比父结点的值大，则交换目标结点与其父结点的位置，并将原目标结点的父结点当作新的目标结点继续进行向上调整；若目标结点的值比其父结点的值小，则停止向上调整，此时该树已经是大堆了。

堆的向上调整算法代码：

//堆的向上调整（大堆）
void AdjustUp(vector<int>& v, int child)
{int parent = (child - 1) / 2; //通过child计算parent的下标while (child > 0)//调整到根结点的位置截止{if (v[parent] < v[child])//孩子结点的值大于父结点的值{//将父结点与孩子结点交换swap(v[child], v[parent]);//继续向上进行调整child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else//已成堆{break;}}
}

堆的向下调整算法

以大堆为例，使用堆的向下调整算法有一个前提，就是待向下调整的结点的左子树和右子树必须都为大堆。

调整的基本思想如下：

1、将目标结点与其较大的子结点进行比较。
2、若目标结点的值比其较大的子结点的值小，则交换目标结点与其较大的子结点的位置，并将原目标结点的较大子结点当作新的目标结点继续进行向下调整；若目标结点的值比其较大子结点的值大，则停止向下调整，此时该树已经是大堆了。

堆的向下调整算法代码：

//堆的向下调整（大堆）
void AdjustDown(vector<int>& v, int n, int parent)
{//child记录左右孩子中值较大的孩子的下标int child = 2 * parent + 1;//先默认其左孩子的值较大while (child < n){if (child + 1 < n&&v[child] < v[child + 1])//右孩子存在并且右孩子比左孩子还大{child++;//较大的孩子改为右孩子}if (v[parent] < v[child])//左右孩子中较大孩子的值比父结点还大{//将父结点与较小的子结点交换swap(v[child], v[parent]);//继续向下进行调整parent = child;child = 2 * parent + 1;}else//已成堆{break;}}
}

模拟实现

只要知道了堆的向上调整算法和堆的向下调整算法，priority_queue的模拟实现就没什么困难了。

成员函数	功能
push	在容器尾部插入元素后进行一次向上调整算法
pop	将容器头部和尾部元素交换，再将尾部元素删除，最后从根结点开始进行一次向下调整算法
top	返回容器的第0个元素
size	返回容器的当前大小
empty	判断队列是否为空

priority_queue的模拟实现代码：

1、基础接口

const T& top() const
{return _con[0];
}bool empty() const
{return _con.empty();
}size_t size() const
{return _con.size();
}

2、push与向上调整

优先级队列就是堆结构，插入一个数之后，我们还需要去进行向上调整

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

向上调整算法：

void adjust_up(size_t child)
{//仿函数Compare com;size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if ( _con[parent]<_con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}
}

3、pop与向下调整

void pop()
{swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();adjust_down(0);
}

向下调整：

void adjust_down(size_t parent)
{Compare com;//仿函数size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){child++;}//if (_con[parent]<_con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}
}

4、构造函数

这里主要说一下迭代器区间的构造函数：自定义类型会调用自己的迭代器区间构造，所以我们并不需要一个一个push，走个初始化列表即可，同时，数据进去之后我们还要建堆，利用向下调整算法：从倒数第一个非叶子节点，既最后一个节点的父节点开始进行向下调整：

priority_queue()
{}
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last):_con(first, last){for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){adjust_down(i);}}

5、总体代码

namespace sherry //防止命名冲突
{//比较方式（使内部结构为大堆）template<class T>struct less{bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}};//比较方式（使内部结构为小堆）template<class T>struct greater{bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}};//优先级队列的模拟实现template<class T, class Container = vector<T>, class Compare = less<T>>class priority_queue{public:priority_queue(){}//迭代器template <class InputIterator>priority_queue(InputIterator first,InputIterator last){while(first!=last){_con.push_back(*first);++first;}for(int i=0(_con.size()-1-1)/2;i>=0;i++){adjust_down(i);}}//堆的向上调整void adjust_up(int child){	//logNint parent = (child - 1) / 2; //通过child计算parent的下标while (child > 0)//调整到根结点的位置截止{if (_comp(_con[parent], _con[child]))//通过所给比较方式确定是否需要交换结点位置{//将父结点与孩子结点交换std::swap(_con[child], _con[parent]);//继续向上进行调整child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else//已成堆{break;}}}//插入元素到队尾（并排序）void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size() - 1); //将最后一个元素进行一次向上调整}//堆的向下调整void adjust_down(int n, int parent){int child = 2 * parent + 1;//logNwhile (child < n){if (child + 1 < n&&_comp(_con[child], _con[child + 1])){child++;}if (_comp(_con[parent], _con[child]))//通过所给比较方式确定是否需要交换结点位置{//将父结点与孩子结点交换swap(_con[child], _con[parent]);//继续向下进行调整parent = child;child = 2 * parent + 1;}else//已成堆{break;}}}//弹出队头元素（堆顶元素）void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();adjust_down(_con.size(), 0); //将第0个元素进行一次向下调整}//访问队头元素（堆顶元素）T& top(){return _con[0];}const T& top() const{return _con[0];}//获取队列中有效元素个数size_t size() const{return _con.size();}//判断队列是否为空bool empty() const{return _con.empty();}private:Container _con; //底层容器Compare _comp; //比较方式};
}

总结：

今天我们比较详细地完成了priority_queue的使用及模拟实现，了解了一些有关的底层原理。接下来，我们将进行C++模板进阶操作的的学习。希望我的文章和讲解能对大家的学习提供一些帮助。

当然，本文仍有许多不足之处，欢迎各位小伙伴们随时私信交流、批评指正！我们下期见~