【C++】C++ STL探索：Priority Queue与仿函数的深入解析

这篇文章将深入探讨优先队列的工作原理，并详细讲解仿函数在其优化过程中的应用。

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一、优先级队列

1.1 优先级队列介绍

[优先级队列文档介绍](priority_queue - C++ Reference (cplusplus.com))

1. 优先队列是一个容器适配器，根据严格的弱排序标准，它的第一个元素总是它所含的元素中最大的
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(优先队列中位于顶部的元素)
3. 优先级队列已经不能称为队列，不符合FIFO特性拉
4. 优先队列被实现为容器适配器，容器适配器即将特定的容器类封装作为其底层容器类，queue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，其称为优先队列的顶部
5. 底层容器可以是任何标准容器类模板，也可以是特定设计的容器类，容器应该可以通过随机访问迭代器访问，并支持以下操作

• empty():检测容器是否为空
• size():返回容器中有效元素个数
• front():返回容器中第一个元素的引用
• push_back():在容器尾部插入元素
• pop_back():删除容器尾部元素

6. 标准容器类vector和deque满足这些需求。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

7. 需要支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_head,push_heap和pop_heap来自动完成此操作。

1.2 优先级队列使用

优先级队列属于容器适配器，并跟堆具有是否相似的结构与功能，这里可以看成堆。由于堆是通过完全二叉树进行搭建，优先级队列默认使用vector作为其底层存储数据的容器，调用库中priority_queue类使用头文件

默认情况下priority_queue是大堆

#pragma once
#include <vector>
#include <algorithm>namespace bit
{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 Containor = vector<T>>class priority_queue{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size()-1);}void adjust_up(size_t child){size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_con[parent] < _con[child]){std::swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}elsebreak;}}void pop(){std::swap(_con[0], _con[_con.size()-1]);_con.pop_back();adjust_down(0);}void adjust_down(size_t parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child  < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1]) child++;if (_con[parent] < _con[child]){std::swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}elsebreak;}}const T& top(){return _con[0];}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Containor _con;};void test(){priority_queue<int> pq;pq.push(3);pq.push(2);pq.push(2);pq.push(110);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;}
}

以上就是建堆的逻辑，但是如果需要建小堆，需要去内部修改大于小于号，显得有些繁琐。对此引用了一个类模板适应不同类型，对operator()函数进行运算符重载，作为控制比较逻辑，其中在外部进行开关的控制。

问题:

• 如果需要比较的逻辑，C语言中的sqort函数不行吗？

答:

• C++不喜欢使用qsort函数，参数部分的函数指针显得很麻烦，C++喜欢使用类模板中的仿函数。

1.3 小补充:priority_queue类提供的仿函数

关于仿函数，库中已经实现好了greater和less仿函数可以直接使用，priority_queue默认使用的是less建大堆

二、仿函数

2.1 仿函数概念

仿函数是通过类中运算符重载()实现特定的功能，通过使用匿名对象使用，它的对象可以想函数一样去使用，使得很难区分是调用函数还是调用匿名对象

Less lessfunc;cout << lessfunc(1, 2) << endl;
cout <<  lessfunc.operator()(1, 2) << endl;
cout <<  Less()(1, 2) << endl;

这里推荐使用第二种和第三种，为了提高代码的可读性，第一种写法可能会引起歧义。

2.2 仿函数访问限定符

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;}};

仿函数中数据是需要公开使用，对于可以通过strcut或将class访问权限设置为public。仿函数/函数对象可以像函数一样去使用，**但是本质是类调用运算符重载。**那么为什么这么麻烦呢？直接写个函数不就行吗？还仿函数，听起来很牛逼哄哄呀！

2.3 仿函数相较于普通函数优势

虽然普通函数在大多数情况下足够，但仿函数提供了更强大的功能和灵活性。

仿函数的优势

• 仿函数是模板编程的重要组成部分，可以与模板一起使用，实现泛型编程的目的。
• 将逻辑和数据封装在一个类中，并且可以轻松调整或扩展仿函数的行为，而不需要改变其调用接口
• 仿函数可以将复杂逻辑和数据封装在类对象中，使得代码更加模块化和可维护，重点体现在封装。
• 仿函数可以有成员变量，在不同的调用之间保持状态。
• 每个仿函数都有不同的类去封装，也可以更好适应泛型编程，灵活地去调整

通过一个类来控制这里的比较逻辑，并且内置类型与自定义类型都支持这种做法。

2.4 当T为指针类型

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

int main()
{priority_queue <Date*, vector<Date*>, greater<Date*>> pqptr;pqptr.push(new Date(2024, 4, 14));pqptr.push(new Date(2024, 4, 11));pqptr.push(new Date(2024, 4, 15));while (!pqptr.empty()){cout << *(pqptr.top()) << " ";pqptr.pop();}cout << endl;return 0;
}

结果说明：正如图中问题，多次运行出现的结果是不同的，导致这种情况的原因是因为地址的大小new出来是随机的，这里如果是单纯的比较大小，只是比较地址编号的大小，而不是比较日期的大小。这里没有对*进行重载，对此需要单独写。

解决措施：

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

在类名实现比较指针的可调用函数对象（仿函数控制比较逻辑，控制任何比较）在优先级队列参数部分传递。

2.5 仿函数解决实际问题

场景如下:

假如我这里有一堆商品，我需要某个商品的排序，但是这里对于实际中需要排序的类型不止一种，那么如果需要看不同类型的排序，就需要修改，如何破局只有大于或者小于，但是总不能说"请稍等，程序员正在改代码"吧！对此需要使用仿函数的配合，模板帮我们控制的是类型不同的类型。

struct Goods
{string _name; // 名字double _price; // 价格int _evaluate; // 评价Goods(const char* str, double price, int evaluate):_name(str), _price(price), _evaluate(evaluate){}
};struct ComparePriceLess
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price < gr._price;}
};
struct ComparePriceGreater
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._price > gr._price;}
};struct CompareEvaluateLess
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._evaluate < gr._evaluate;}
};
struct CompareEvaluateGreater
{bool operator()(const Goods& gl, const Goods& gr){return gl._evaluate > gr._evaluate;}
};int main()
{vector<Goods> v = { { "苹果", 2.1, 5 }, { "香蕉", 3, 4 }, { "橙子", 2.2,3 }, { "菠萝", 1.5, 4 } };sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceLess());sort(v.begin(), v.end(), ComparePriceGreater());sort(v.begin(), v.end(), CompareEvaluateLess());sort(v.begin(), v.end(), CompareEvaluateGreater());
}

注意:有些容器是没有迭代器的，这样子话就会破坏某种特性，一般不提供

三、反向迭代器

反向迭代器本质是写一个反向迭代器的类模板，给编译器传不同的容器的正向迭代器实例化，编译器帮助我们实例化出各种容器的对应反向迭代器。

3.1 反向与正向迭代器不同点

从功能上是类似的，但是运算符重载++与–运算符行为相反的。

同时反向与迭代器起始位置和结束位置是相反的，库里面也是形成对称，但是不是绝对的，如果满足反向迭代器逻辑就行。

思考:

这里it.rbegin()指向的位置（it.end）是哨兵位的位置，我们不希望访问到哨兵位的位置

解决办法:

需要注意:

这里++不是正向迭代器++运算符重载的逻辑，而是–的逻辑，因为是反向迭代器。这里是不支持tmp-1的，tmp是自定义类型，而没有-的运算符重载。

四、priority_queue.h

#pragma once
#include <vector>
#include <algorithm>namespace bit
{class Date{public:friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);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);}private:int _year;int _month;int _day;};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d){_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;}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 Containor = vector<T>, class Compare = Less<T>>class priority_queue{public:Compare _com;void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size() - 1);}void adjust_up(size_t child){size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if (_con[parent] < _con[child])if (_com(_con[parent], _con[child])){std::swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}elsebreak;}}void pop(){std::swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();adjust_down(0);}void adjust_down(size_t parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])child++;//if (_con[parent] < _con[child])if (_com(_con[parent], _con[child])){std::swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}elsebreak;}}const T& top(){return _con[0];}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Containor _con;};void test1(){priority_queue<int> pq;pq.push(3);pq.push(2);pq.push(2);pq.push(110);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;}class GteaterDate{public:bool operator()(const Date* p1, const Date* p2){return *p1 > *p2;}};void test2(){priority_queue <Date*, vector<Date*>, GteaterDate> pqptr;//priority_queue <Date*, vector<Date*>> pqptr;pqptr.push(new Date(2024, 4, 14));pqptr.push(new Date(2024, 4, 11));pqptr.push(new Date(2024, 4, 15));while (!pqptr.empty()){cout << *(pqptr.top()) << " ";pqptr.pop();}cout << endl;}
}

以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！