C++初阶——优先队列

一、什么是优先队列

优先队列是一个容器适配器，存储于优先队列中的元素按照某种优先级自动排序。优先队列类似于堆，元素可以随时插入，但是只能弹出优先级最高的元素。默认是一个大根堆，也就是元素越大，优先级越高。

二、优先队列的定义及初始化

2.1优先队列的定义

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    priority_queue<int> pq1;//创建一个默认的优先队列
    //默认是priority_queue<int,vector<int>,less<int>()> pq1;
    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>()> pq2;//改为小根堆
    return 0;
}

2.2优先队列的初始化

优先队列没法像其他容器一样直接使用初始化列表进行初始化，但它可以使用其它容器的迭代器进行初始化，或者使用push函数与emplace函数依次输入函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(v.begin(), v.end());
    while (!pq1.empty())
    {
        cout << pq1.top() << " ";
        pq1.pop();
    }
    return 0;
}

三、list成员函数

3.1empty函数

bool empty() const;

priority_queue提供了一个成员函数empty，用于检查队列是否为空，即检查其大小是否为零。这个函数实际上是调用了底层容器对象的empty成员函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    list<int> l = { 1,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2;
    cout << pq1.empty() << endl;
    cout << pq2.empty() << endl;
    return 0;
}

3.2size函数

size_type size() const;

priority_queue提供了一个成员函数size，用于返回优先队列中元素的数量。这个函数实际上是调用了底层容器对象的size成员函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    list<int> l = { 1,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2;
    cout << pq1.size() << endl;
    cout << pq2.size() << endl;
    return 0;
}

3.3top函数

const_reference top() const;

priority_queue提供了一个成员函数top，用于返回队头即优先级最高的元素。这个函数实际上是调用了底层容器对象的front成员函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    list<int> l = { 1,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2;
    cout << pq1.top() << endl;
    pq1.pop();
    cout << pq1.top() << endl;
    return 0;
}

3.4push函数

void push (const value_type& val);
void push (value_type&& val);

priority_queue提供了一个成员函数push，用于向队列中插入一个新的元素。这个新元素的内容会被初始化为val指定的值。push函数首先调用底层容器对象的push_back成员函数来添加元素，然后通过调用heap中的算法调整容器中所有元素的范围，以确保新元素被放置在堆结构中正确的位置。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    list<int> l = { 1,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2;
    pq1.push(10);
    cout << pq1.top() << endl;
    pq1.pop();
    cout << pq1.top() << endl;
    return 0;
}

3.5emplace函数

template <class... Args> void emplace (Args&&... args);

priority_queue提供了一个成员函数emplace，它允许你在队列中就地构造一个新元素，这意味着你可以直接传递给新元素构造函数的参数，而不需要先创建一个临时对象再复制或移动到队列中。emplace函数首先调用底层容器的emplace_back成员函数来就地构造元素，然后通过调用push_heap算法调整容器中所有元素的范围，以确保新元素被放置在堆结构中正确的位置。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    list<int> l = { 1,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2;
    pq1.emplace(10);
    cout << pq1.top() << endl;
    pq1.pop();
    cout << pq1.top() << endl;
    return 0;
}

3.6pop函数

void pop();

priority_queue提供了一个成员函数pop，用于移除队列顶部的元素，也就是优先级最高的元素。这个操作会减少队列的大小一个单位。在调用pop之前，可以使用top成员函数来检索即将被移除的元素的值。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5,6,7 };
    list<int> l = { 1,3,4,5,6,7 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2;
    cout << pq1.top() << endl;
    pq1.pop();
    cout << pq1.top() << endl;
    return 0;
}

3.7成员swap函数

void swap (priority_queue& x) noexcept (/*see below*/);

priority_queue提供了一个成员函数swap，它用于交换两个priority_queue容器的元素。这个操作不仅交换了底层容器的内容，还包括它们的比较函数。这个成员函数通过调用底层容器和比较函数的swap非成员函数来实现交换。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5 };
    list<int> l = { 5,6,7,8,9 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2(v.begin(), v.end());
    priority_queue<int> pq3(pq1);
    priority_queue<int> pq4(pq2);
    while (!pq1.empty())
    {
        cout << pq1.top() << " ";
        pq1.pop();
    }

    cout << endl;

    while (!pq2.empty())
    {
        cout << pq2.top() << " ";
        pq2.pop();
    }

    cout << endl;

    pq3.swap(pq4);

    while (!pq3.empty())
    {
        cout << pq3.top() << " ";
        pq3.pop();
    }

    cout << endl;

    while (!pq4.empty())
    {
        cout << pq4.top() << " ";
        pq4.pop();
    }
    return 0;
}

四、非成员函数

4.1模板函数swap

template <class T, class Container, class Compare>  
void swap (priority_queue<T,Container,Compare>& x, priority_queue<T,Container,Compare>& y) noexcept(noexcept(x.swap(y)));

交换两个优先队列中元素时，可以不适用成员swap函数，转而使用算法标准库中的模板swap函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <list>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v = { 1,2,3,4,5 };
    list<int> l = { 5,6,7,8,9 };
    priority_queue<int> pq1(l.begin(), l.end());
    priority_queue<int> pq2(v.begin(), v.end());
    priority_queue<int> pq3(pq1);
    priority_queue<int> pq4(pq2);
    while (!pq1.empty())
    {
        cout << pq1.top() << " ";
        pq1.pop();
    }

    cout << endl;

    while (!pq2.empty())
    {
        cout << pq2.top() << " ";
        pq2.pop();
    }

    cout << endl;

    swap(pq3,pq4);

    while (!pq3.empty())
    {
        cout << pq3.top() << " ";
        pq3.pop();
    }

    cout << endl;

    while (!pq4.empty())
    {
        cout << pq4.top() << " ";
        pq4.pop();
    }
    return 0;
}