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【C++篇】STL适配器(下篇):优先级队列与反向迭代器的底层奥秘

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我想吃余
发布2025-06-12 14:44:35
发布2025-06-12 14:44:35
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文章被收录于专栏:C语言学习C语言学习

前言

话接上篇,本文将对优先级队列和迭代器进行详细讲解并模拟实现,其中优先级队列的实现涉及了仿函数等新的知识,因此本文难度会有所提升。

本文目标

  • 知道优先级队列是什么?
  • 能够正确使用优先级队列
  • 了解并会使用仿函数
  • 了解反向迭代器的功能原理
  • 能够模拟实现priority_queuereverse_iterator
  • 能够将反向迭代器适配到vector和list中
一、priority_queue的介绍和使用

优先级队列其实就是我们先前学过的一个数据结构—— 如有遗忘,一定要及时复习 【初探数据结构】二叉树的顺序结构——堆的实现详解(上下调整算法的时间复杂度分析) 【初探数据结构】堆的应用实例(堆排序与TopK问题)

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,所有需要用到堆的场景,都可以考虑使用priority_queue。

使用时需要包头文件:#include <queue>

注意默认情况下priority_queue是大堆

那么如何控制成小堆呢? 这里就需要仿函数的功效了,这里先不解释,知道这是仿函数就行: priority_queue有3个模板参数: 数据类型+容器+仿函数

代码语言:javascript
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template<T, vector<T>, less<T>>

这里仿函数有两个:

  • less默认仿函数,大堆
  • greater小堆

控制小堆示例:

代码语言:javascript
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#include <vector>
#include <queue>
// greater算法的头文件
#include <functional>

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{3,2,7,6,0,4,1,9,8,5};
	priority_queue<int> q1;
	for (auto& e : v)
		q1.push(e);
	cout << "堆顶为:" << q1.top() << endl;
	// 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 <<  "堆顶为:"<< q2.top() << endl;
}

运行结果:

堆顶为:9 堆顶为:0

常用接口:

函数声明

接口说明

priority_queue()

构造一个空的优先级队列

priority_queue(first,last)

迭代构造一个优先级队列

empty( )

检测优先级队列是否为空,是返回true,否则返回false

top( )

返回优先级队列中最大(最小元素),即堆顶元素

push(x)

在优先级队列中插入元素x

pop()

删除优先级队列中最大(最小)元素,即堆顶元素

特别注意: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

因为这里的仿函数是基于><操作符来实现的,如果没有,就会报错。


二、模拟实现priority_queue

首先,不难确定,成员变量只有一个:

代码语言:javascript
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Container _con;
1. pop()实现(向下调整算法)

核心思路:

  1. 将堆顶元素与堆尾元素交换
  2. 尾删(效率高)
  3. 向下调整
代码语言:javascript
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void pop()
{

    swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);
    _con.pop_back();

    //向下调整
    AdjustDown(0);
}

重难点在于向下调整算法的实现

核心思路:

  1. 父节点与较大的那个孩子节点比较
  2. 父节点小于(这里实现大堆,若要小堆就用大于)孩子节点就交换位置,如此循环
  3. 直到孩子节点下标为_con.size(),循环结束。

大堆代码实现

代码语言:javascript
复制
void AdjustDown(int parent)
{
	//假设左孩子更大
    int child = parent * 2 + 1;
    while (child < _con.size())
    {
        //右孩子存在且比左孩子大,就指向右孩子
        if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])
        {
            ++child;
        }
		//父节点小于孩子节点就交换
        if (_con[parent] < _con[child])
        {
            swap(_con[parent], _con[child]);
        }
        else
        {
            break;
        }
		//更新下标,为下一轮循环做准备
        parent = child;
        child = parent * 2 + 1;
    }
}

那么,如果我们要实现小堆,又要写一份几乎一样的代码吗?我们来看看仿函数是怎么解决的!


2. 仿函数控制大小堆

什么是仿函数?

在 C++ 中,仿函数(Functor) 是一种行为类似函数的对象(也称为函数对象,Function Object)。它通过重载函数调用运算符 operator() 实现,使得类的实例可以像普通函数一样被调用。

  1. 本质:仿函数是类/结构体对象,但能通过 对象(参数) 语法调用
  2. 实现:在类中重载 operator()
代码语言:javascript
复制
class MyFunctor {
public:
    // 重载函数调用运算符
    return_type operator()(参数列表) const { 
        // 实现逻辑
    }
};

控制大小堆的本质就是控制父子节点的比较方式

代码实现:

代码语言:javascript
复制
//仿函数
//控制实例化大小堆

//大堆
template<class T>
class Less
{
public:
    bool operator()(const T& a, const T& b)
    {
        return a < b;
    }
};

//小堆
template<class T>
class Greater
{
public:
    bool operator()(const T& a, const T& b)
    {
        return a > b;
    }
};

这样一来,只要我们利用模板控制调用函数,就可以实现复用功能了:

代码语言:javascript
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namespace zhh
{
template <class T, class Container = vector<T>, class Compare = Less<T> >//设定默认大堆
class priority_queue
{
private:
    void AdjustDown(int parent)
    {
        Compare _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]);
            }
            else
            {
                break;
            }

            parent = child;
            child = parent * 2 + 1;
        }
    }
    
private:
 	Container _con;
 };

有没有发现,仿函数和C语言中的函数指针功能十分相似。取其精华去其糟粕,优化了函数指针的复杂性,加强了可用性。

仿函数 vs 函数指针

3. push()实现(向上调整算法)

这个很简单 核心思路

  1. 尾插
  2. 向上调整
代码语言:javascript
复制
void push(const T& x)
{
    _con.push_back(x);

    //向上调整
    AdjustUp(_con.size() - 1);
}

向上调整算法

核心思路

  1. 将孩子节点与父节点比较大小
  2. 孩子节点大于(小于)父节点就交换,如此循环
  3. 直到孩子节点下标为0,循环终止。

代码实现:

代码语言:javascript
复制
 void AdjustUp(int child)
 {
     Compare _com;
     int parent = (child - 1) / 2;
     while (child > 0)
     {
         if (_com(_con[parent], _con[child]))
         {
             swap(_con[parent], _con[child]);
         }
         else
         {
             break;
         }

         child = parent;
         parent = (child - 1) / 2;
     }
 }

4. 构造函数实现

这里无参构造、拷贝构造、析构函数、迭代器均无需实现,因为内置类型无需这些,而自定义类型调用自己的构造函数和析构函数以及迭代器。

需要实现的是,迭代构造,这其实就是一个建堆的过程:

代码语言:javascript
复制
//[first, last)
template <class InputIterator>
priority_queue(InputIterator first, InputIterator last)
    :_con(first, last)
{
    //(_con.size() - 1 - 1)/2计算父亲节点的下标
    for (int i = (_con.size() - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
    {
        AdjustDown(i);
    }
}

需要注意的是,向下调整的时间复杂度(N)是比向上调整的时间复杂度(NlogN)要低的,因此向下调整建堆的效率更高


源码

这是我模拟实现的源码


三、反向迭代器介绍和使用

初见反向迭代器,你可能会觉得很简单: 不就是把++重载为----重载为++beginend交换一下位置不就好了嘛?

确实思想很简单,但是看你如何实现了。 没错,可以利用适配器,很好的复用iterator的代码,让代码简短无比,我们一起来看看吧!

在 C++ 中,反向迭代器(Reverse Iterator) 是一种适配器,它允许以相反的顺序遍历容器(从容器的末尾向开头移动)。它是标准库的重要组成部分,定义在 <iterator> 头文件中,为所有支持双向迭代器的容器(如 vector, deque, list, set, map 等)提供反向遍历能力。

核心特性

  1. 反向移动
    • ++ 操作:向容器开头移动(相当于普通迭代器的 --
    • -- 操作:向容器末尾移动(相当于普通迭代器的 ++
  2. 适配器模式:基于普通迭代器实现,不修改底层容器
  3. 标准接口:与普通迭代器相同的操作(解引用、比较等)

反向迭代器与正向迭代器具有对称关系,以此来确定rbegin和rend指向的位置:

vector:

list:

用法和正向迭代器差不多:

代码语言:javascript
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#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator> // 包含 reverse_iterator

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 获取反向迭代器
    auto rbegin = vec.rbegin(); // 指向最后一个元素
    auto rend = vec.rend();     // 指向第一个元素之前的位置

    // 反向遍历
    for (auto rit = rbegin; rit != rend; ++rit) {
        std::cout << *rit << " ";
    }
    // 输出:5 4 3 2 1

    return 0;
}

四、模拟实现reverse_iterator
1. 代码梳理与实现

成员变量:正向迭代器 配置接口与正向相同

核心思想:复用

解引用*和->重载

注意解引用的是rit所指向的前一个位置 因为rit是从rbegin开始的,rbegin指向的位置是最后一个元素的后一个位置。

代码语言:javascript
复制
T& operator*()
{
	Iterator tmp = _it;

	return *--tmp;
}

operator->()直接对解引用后的值取地址即可

代码语言:javascript
复制
T* operator->()
{
	return &(operator*());
}

完整代码:

代码语言:javascript
复制
#pragma once

namespace zhh
{
	// 适配器 -- 复用
	template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
	struct Reverse_iterator
	{
		typedef Reverse_iterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;

		Iterator _it;
		Reverse_iterator(const Iterator& it)
			:_it(it)
		{ }

		Ref operator*()
		{
			Iterator tmp = _it;

			return *--tmp;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &(operator*());
		}

		Self& operator++()
		{
			--_it;
			return *this;
		}

		Self operator++(int)
		{
			Iterator tmp = _it;
			--_it;
			return tmp;
		}

		Self& operator--()
		{
			++_it;
			return *this;
		}

		Self operator--(int)
		{
			Iterator tmp = _it;
			++_it;
			return tmp;
		}

		bool operator==(const Self& s)
		{
			return _it == s._it;
		}

		bool operator!=(const Self& s)
		{
			return _it != s._it;
		}
	};
}

2. vector和list反向迭代器实现

我们一起来给我们之前实现的list和vector配置一下吧!

list配置

老样子,带上模板的名字太长了,我们了typedef一下:

代码语言:javascript
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typedef ReverseIterator<iterator, T&, T*> reverse_iterator;
typedef ReverseIterator<const_iterator, const T&, const T*> const_reverse_iterator;

rbegin()和rend()接口实现:

由我们之前提到的正反迭代器镜像对称关系: rbegin就是end,rend就是begin 可以复用:

代码语言:javascript
复制
reverse_iterator rbegin()
{
    return reverse_iterator(end());
}

reverse_iterator rend()
{
    return reverse_iterator(begin());
}

const_reverse_iterator rbegin() const
{
    return const_reverse_iterator(end());
}

const_reverse_iterator rend() const
{
    return const_reverse_iterator(begin());
}

这样就配置好了,非常简单

vector配置

这个可以自己试试哦

没错,和list一模一样。

配置后的源码: - vector - list

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原始发表:2025-06-03,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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目录
  • 前言
    • 一、priority_queue的介绍和使用
    • 二、模拟实现priority_queue
      • 1. pop()实现(向下调整算法)
      • 2. 仿函数控制大小堆
  • 3. push()实现(向上调整算法)
    • 4. 构造函数实现
    • 三、反向迭代器介绍和使用
    • 四、模拟实现reverse_iterator
      • 1. 代码梳理与实现
      • 2. vector和list反向迭代器实现
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