priority_queue 与 deque

priority_queue的介绍与使用

简单介绍

priority_queue - Referencep

从模板可以看出，优先级队列这里的有着新的东西，Compare；

首先：class T 我们都知道，是元素类型，比如int char 一类的；

其实：就是新见的比较器 Compare，这是一个可调用的对象类型，一般用于确定优先队列中元素的顺序。并且可以使用 std::less<T> 或 std::greater<T>，或者自定义一个函数对象。

std::less<T>
template<class T>
class less {bool operate()(const T& t1, const T& t2){return t1 < t2;}
};
std::greater<T>
template<class T>
class greater {bool operate()(const T& t1, const T& t2){return t1 > t2;}
};
这里需要注意的是比较大小不能比错了；

优先级队列的叙述

优先队列是一种容器适配器，根据严格的弱排序标准，在默认情况下它通过使用最大堆的方式，来实现元素的存储，也就是说元素中最大的在首位。

底层存储数据的容器（底层容器）
虽然标准容器类vector和deque满足这些需求。默认情况下，如果没有为特定priority_queue类实例化指定容器类，则使用vector。vector支持随机访问迭代器，以便始终在内部保持堆结构。

与堆的关系

优先级队列默认使用vector作为底层容器，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。

堆算法
在 vector 上使用了堆算法将 vector 中的元素构造成堆的结构。简单来说堆是一种特殊的二叉树，他的父节点的值总是比子节点大（或小）。容器适配器通过在需要时自动调用算法函数make_heap、push_heap和pop_heap来自动完成此操作。

容器适配器

优先队列被实现为容器适配器，容器适配器即将特定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

使用

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：

priority_queue() 构造一个空的优先级队列
priority_queue(first, last)
构造一个优先级队列，使用迭代器范围 [first, last) 初始化队列。

empty() 检查优先级队列是否为空；如果是空队列返回 true，否则返回 false。
top() 返回优先级队列中的最大（或最小）元素，即堆顶元素。
push(x) 在优先级队列中插入元素 x。
pop() 删除优先级队列中的最大（或最小）元素，即堆顶元素

priority_queue的实现

先看一道oj题

215. 数组中的第K个最大元素 - 力扣（LeetCode）

class Solution {
public:int findKthLargest(vector<int>& nums, int k) {priority_queue<int> s1(nums.begin(), nums.end());for (int i = 0; i < k - 1; i++) {s1.pop();}return s1.top();}
};

代码实现


#pragma once
#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;template<class T>
class Less {
public:bool operator()(const T& t1, const T& t2){return t1 < t2;}
};template<class T>
class Greater {
public:bool operator()(const T& t1, const T& t2){return t1 > t2;}
};namespace xryq {template<class T, class container = vector<T>, class comparator = less<T>>class priority_queue {public:	void Adjustup(int child){comparator com;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else {break;}}}void push(const T & x){_con.push_back(x);Adjustup(_con.size() - 1);}void AdjustDown(int parent){comparator com;int child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child], _con[child + 1])){child++;}if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[parent], _con[child]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else {break;}}}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();AdjustDown(0);}const T& top(){return _con[0];}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:container _con;};void test(){//priority_queue<int> a1;priority_queue<int, vector<int>, Greater<int>> a1;a1.push(1);a1.push(5);a1.push(0);while (!a1.empty()){cout << a1.top() << " ";a1.pop();}}
}

仿函数

仿函数

仿函数是一种特殊类型的类，它们的行为类似于函数，但实际上是具有operator()成员函数的对象。通过重载operator()，我们可以使类对象像函数那样被调用，实际上是一个类的实例。这在C++中非常有用，因为它允许你将函数式编程的概念与面向对象编程相结合。

仿函数例子

下面是一个简单的例子

#include <iostream>// 定义一个仿函数类
struct Adder {// 重载函数调用运算符int operator()(int a, int b) const {return a + b;}
};int main() {Adder adder; // 创建仿函数对象int result = adder(5, 3); // 调用仿函数对象std::cout << "Result: " << result << std::endl; // 输出 Result: 8return 0;
}

实现一个关于日期类的运用

class Date {
public:Date(int year = 1,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);private:int _year;int _month;int _day;
};ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}class DateLess {bool operator()(const Date* d1, const Date* d2){return *d1 < *d2;}
};void testDate()
{priority_queue<Date> q1;q1.push(Date(2024, 6, 29));q1.push(Date(2024, 6, 30));q1.push(Date(2024, 6, 28));cout << q1.top() << endl;priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> q2;q2.push(Date(2024, 6, 29));q2.push(Date(2024, 6, 30));q2.push(Date(2024, 6, 28));cout << q2.top() << endl << endl;//但如果传递地址priority_queue<Date*, vector<Date*>, greater<Date*>> q3;Date d1(2024, 6, 30);Date d2(2024, 6, 28);Date d3(2024, 6, 29);q3.push(&d1);q3.push(&d2);q3.push(&d3);cout << *q3.top() << endl;q3.pop();cout << *q3.top() << endl;q3.pop();cout << *q3.top() << endl;
}

我们可以看到前两个没有问题；

但是如果传地址的话就不能正确比较；

这里主要是因为其实这是因为他们传的地址，其实也是比较的地址，库里的仿函数，不支持这样弄，所以需要自己写一个:

deque的简单介绍(了解)

如何理解？其实他是一个list和vector的结合体，大家可以去看一本书《STL源码刨析》这里面有很详细的介绍

deque - - - Reference\

简单探讨一下deque的底层逻辑

deque并不是真正连续的空间，而是由一段段连续的小空间拼接而成的，实际deque类似于一个动态的二维数组，其底层结构如下图所示：

双端队列底层是一段假象的连续空间，实际是分段连续的，为了维护其“整体连续”以及随机访问的假象，落在了deque的迭代器身上，因此deque的迭代器设计就比较复杂

再来看一点点源码

我们就可以知道虽然它很便利但是，迭代器的实现也很麻烦。和加法一样，满了就要进位；

deque与vector比较

头部插入/删除

deque，头部插入和删除时，不需要搬移元素，效率特别高。
vector，头部插入和删除时，要搬移前后所有元素，效率低下。

扩容效率

deque，在扩容时只需要增加新的内存段，不用像vector有时还需要把整个数据复制到新的区域中，因此在大量处理数据时，deque的效率还是更胜一筹的。

deque与list比较

内存利用率

deque它的元素存储在连续的内存中，不需要为每个元素存储额外的指针信息，空间利用率比较高，不需要存储额外字段。而且支持随机访问，更便利。
list则需要为每个元素维护前后指针，这会占用额外的空间

deque的缺陷

deque有一个致命缺陷：不适合遍历，因为在遍历时，deque的迭代器要频繁的去检测其是否移动到某段小空间的边界，导致效率低下，而序列式场景中，可能需要经常遍历，因此在实际中，需要线性结构时，大多数情况下优先考虑vector和list。

deque的实际运用

只要具有push_back()和pop_back()操作的线性结构，都可以作为stack的底层容器，比如vector和list都可以但是STL中对stack和queue默认选择deque作为其底层容器。

原因

stack和queue不需要遍历(因此stack和queue没有迭代器)，只需要在固定的一端或者两端进行操作。
在stack中元素增长时，deque比vector的效率高(扩容时不需要搬移大量数据)；queue中的元素增长时，deque不仅效率高，而且内存使用率高。

这边用一个排序来比较一下

//比较deque的效率
void test_op1()
{srand(time(0));const int n = 100000;deque<int> d1;vector<int> l1;for (int i = 0; i < n; i++){auto e = rand() + i;d1.push_back(e);l1.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(d1.begin(), d1.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();sort(l1.begin(), l1.end());int end2 = clock();printf("deque sort:%d\n", end1 - begin1);printf("vector sort:%d\n", end2 - begin2);
}
void test_op2()
{srand(time(0));const int N = 1000000;deque<int> dq1;deque<int> dq2;for (int i = 0; i < N; ++i){auto e = rand() + i;dq1.push_back(e);dq2.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(dq1.begin(), dq1.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();// 拷贝到vectorvector<int> v(dq2.begin(), dq2.end());sort(v.begin(), v.end());dq2.assign(v.begin(), v.end());int end2 = clock();printf("deque sort:%d\n", end1 - begin1);printf("deque copy vector sort, copy back deque:%d\n", end2 - begin2);
}

可以看出来还是vector更快一些。

为什么选择deque作为stack和queue的底层默认容器

主要他是list，vector的综合，而且stack与queue的用法正好避开了deque的缺点，遍历效率特别低。

高效插入和删除:

deque 支持在两端高效地插入和删除元素。对于栈来说，这意味着可以在栈顶（通常是容器的尾部）进行快速的压栈和弹栈操作；对于队列来说，可以在队首（通常是容器的头部）进行快速的出队操作，在队尾进行快速的入队操作。
相比之下，vector 在头部插入或删除元素时需要移动大量元素，效率较低；而 list 虽然也可以在两端进行高效操作，但list需要额外的指针来维护元素之间的链接也是就它的链表结构，这会消耗更多的内存。

内存管理:

deque 的内存管理是在扩展时仅需分配新的内存段，而不是重新分配整个数组，这使得它在扩容时与vector相比更为高效。
对于栈和队列这样的数据结构来说，它们往往需要频繁地添加和删除元素，使用deque 可以减少内存重分配带来的开销。

内存布局:

deque 的元素存储在（多个内存段的）连续的内存中，这有利于缓存性比较好，从而提高访问速度。
deque 的这种布局方式也意味着它在遍历数据时比 std::list 更加高效，尽管与 vector 相比遍历效率略低，但在栈和队列中，遍历的需求相对较少。

泛用性:

deque 提供了广泛的操作接口，可以方便地支持栈和队列所需的大部分操作，如 push_back, pop_back, push_front, pop_front 等。
这使得 deque 成为一个通用的选择，可以灵活地适应不同类型的容器需求。
这点在作为stack 与 queue的底层容器没有体现出来