【C++】queue和priority_queue的用法及模拟实现

目录

• 一、queue的简介及其使用
• 二、priority_queue的简介及其使用

一、queue的简介及其使用

1、queue的简介

1. queue是一种容器适配器，专门用在先进先出操作的上下文中环境中，其中的元素只允许从容器一端插入，另一端提取。
2. queue是作为容器适配器来实现的，容器适配器是对特定类封装作为其底层的容器，queue提供一组特定的成员函数来访问其元素，元素是从特定容器的队尾入队，从对头出队。
3. 底层容器可以是标准容器类模板之一，也可以是其他专门设计的容器类。该底层容器应至少支持以下操作:
   1、empty：检测队列是否为空
   2、size：返回队列中有效元素的个数
   3、front：返回队头元素的引用
   4、back：返回队尾元素的引用
   5、push_back：在队列尾部入队列
   6、pop_front：在队列头部出队列
4. 标准容器deque和list都符合这些需求，在默认情况下，stack指定特定的底层容器为deque。
   

2、queue的使用

void TestQueue()
{
    queue<int, list<int>> q;
    int sum = 0;

    for (int i = 1; i <= 10; i++)
    {
        q.push(i);
    }
    cout << "个数: " << q.size() << endl;//结果：个数：10
    while (!q.empty())
    {
        sum += q.front();
        q.pop();
    }
    cout << "合计: " << sum << endl;//结果：合计：55
}

2、queue的模拟实现

namespace hxj
{
	template<class T, class Container = list<T>>
	//template<class T, class Container = deque<T>>
	class queue
	{
	public:
		void push(const T& x)
		{
			_con.push_back(x);
		}

		void pop()
		{
			_con.pop_front();
		}

		const T& front()
		{
			return _con.front();
		}

		const T& back()
		{
			return _con.back();
		}

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

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}

	private:
		Container _con;
	};
}

注意：因为queue的接口中存在头删和尾插，因此使用vector来封装效率太低，故可以借助list或deque来模拟实现queue，

二、priority_queue的简介及其使用

1、priority_queue的简介

1. 优先级队列是一种容器适配器，专门设计为根据一些严格的弱排序标准，它的第一个元素始终是它所包含的元素中最大的一个。
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（优先级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，容器适配器是使用特定容器类的封装对象作为其底层容器的类，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，即优先级队列的顶部。
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：
   1、empty()：检测容器是否为空
   2、size()：返回容器中有效元素个数
   3、front()：返回容器中第一个元素的引用
   4、push_back()：在容器尾部插入元素
   5、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才能始终在内部保持堆结构。这是由容器适配器在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成的。

2、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上又使用了堆算法将vector中元素构造成堆的结构，因此priority_queue就是堆，所有需要用到堆的位置，都可以考虑使用priority_queue。
注意：默认情况下priority_queue是大堆。

注意：默认情况下priority_queue是大堆。

void TestPriorityQueue()
{
	// 默认情况下，创建的是大堆，其底层按照小于号比较
	vector<int> v{ 2,9,1,3,6,4,5,7,0,8 };
	priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v)
		q1.push(e);
	cout << q1.top() << endl;//结果：9

	// 如果要创建小堆，将第三个模板参数换成greater比较方式
	priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2(v.begin(), v.end());
	cout << q2.top() << endl;//结果：0
}

其中greater的头文件：#include

注意： 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。

class Date
{
public:
	Date(int year = 1900, int month = 1, int day = 1)
		: _year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{}

	bool operator<(const Date& d)const
	{
		return (_year < d._year) ||
			(_year == d._year && _month < d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day < d._day);
	}

	bool operator>(const Date& d)const
	{
		return (_year > d._year) ||
			(_year == d._year && _month > d._month) ||
			(_year == d._year && _month == d._month && _day > d._day);
	}

	friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
	{
		_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;
		return _cout;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

void TestPriorityQueue2()
{
	// 大堆，需要用户在自定义类型中提供<的重载
	priority_queue<Date> q1;
	q1.push(Date(2023, 5, 14));
	q1.push(Date(2023, 5, 16));
	q1.push(Date(2023, 5, 15));
	cout << q1.top() << endl;//结果：2023-5-16

	// 如果要创建小堆，需要用户提供>的重载
	priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;
	q2.push(Date(2023, 5, 14));
	q2.push(Date(2023, 5, 16));
	q2.push(Date(2023, 5, 15));
	cout << q2.top() << endl;//结果：2023-5-14
}

我们看看下面这串代码：

void TestPriorityQueue3()
{
	priority_queue<Date*> q2;
	q2.push(new Date(2018, 10, 29));
	q2.push(new Date(2018, 10, 30));
	q2.push(new Date(2018, 10, 28));
	cout << *(q2.top()) << endl;
}

第一次运行结果：

第二次运行结果：

第三次运行结果：

我们会发现他每次的运行结果都是不一样的，是随机的，我们把代码改一改，再写一个仿函数：

class PDateLess
{
public:
	bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
	{
		return *p1 < *p2;
	}
};

class PDateGreater
{
public:
	bool operator()(const Date* p1, const Date* p2)
	{
		return *p1 > *p2;
	}
};
void TestPriorityQueue4()
{
	//priority_queue<Date*, vector<Date*>, PDateLess> q2;//结果：2018-10-30
	priority_queue<Date*, vector<Date*>, PDateGreater> q2;//结果：2018-10-28
	q2.push(new Date(2018, 10, 29));
	q2.push(new Date(2018, 10, 30));
	q2.push(new Date(2018, 10, 28));
	cout << *(q2.top()) << endl;
}

我们会发现：比较方式不同，结果也是不同的。
由此，我们可以得出优先级队列的一个优势：我们自己可以控制他的比较方式。

3、priority_queue的模拟实现

namespace hxj
{
	template<class T>
	struct less
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x < y;
		}
	};

	template<class T>
	struct greater
	{
		bool operator()(const T& x, const T& y)
		{
			return x > y;
		}
	};

	// 大堆
	template<class T, class Container = vector<T>, class Comapre = less<T>>
	class priority_queue
	{
	public:
		void adjust_up(int child)
		{
			Comapre com;

			int parent = (child - 1) / 2;
			while (child > 0)
			{
				//if (_con[parent] < _con[child])
				//if (Comapre()(_con[parent], _con[child]))
				if (com(_con[parent], _con[child]))
				{
					swap(_con[child], _con[parent]);
					child = parent;
					parent = (child - 1) / 2;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
		}

		void adjust_down(int parent)
		{
			size_t child = parent * 2 + 1;
			while (child < _con.size())
			{
				Comapre com;

				//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;
				}
			}
		}

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

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

		const T& top()
		{
			return _con[0];
		}

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

		bool empty()
		{
			return _con.empty();
		}
	private:
		Container _con;
	};
}