C++ 优先级队列用法与模拟实现

介绍

优先级队列（Priority Queue）是一种抽象数据类型，它类似于队列，但是每个元素都有一个优先级或权重。在优先级队列中，元素的出队顺序是按照优先级来进行的，而不是先进先出（FIFO）或后进先出（LIFO）。
在 C++ 中，优先级队列是通过 std::priority_queue 实现的，它是 C++ 标准库的一部分。std::priority_queue 是一个模板容器适配器，它提供常数时间复杂度的插入操作和 logarithmic 时间复杂度的删除操作。

用法

头文件

要使用 std::priority_queue，你需要包含 <queue> 头文件。

#include <queue>

1.创建优先级队列

priority_queue

• (1)
  构造函数，可以接受两个参数，一个比较函数和一个容器。是个显式构造，不用隐式类型转换。
• (2)
  接受两个迭代器的构造函数，它允许你从一个范围 [first, last) 中的元素初始化优先级队列

//(1)
priority_queue<int> pq1; // 创建一个整数类型的优先级队列
priority_queue<int, vector<int>, less<int>> pq2;//创建一个以vector作为底层容器类型的优先级队列，less是大堆
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq3; // 创建一个以vector作为底层容器类型的优先级队列，greater是小堆

//(2)
vector<int> vec = { 4, 1, 3, 2 };
priority_queue<int> pq(vec.begin(), vec.end());//pq 会用 vec 中的元素进行初始化，并按照最大堆的顺序排列

2. 插入元素

push

• 向优先级队列中插入元素。

pq.push(30);
pq.push(10);
pq.push(20);

3. 删除元素

pop

• 从优先级队列中删除具有最高优先级的元素。

pq.pop(); // 删除元素 30

访问顶部元素

top

• 访问优先级队列的顶部元素（具有最高优先级的元素）

int top = pq.top(); // 之前在pop中把30pop了，所以top现在是 20

检查优先级队列的大小

size

• 查看优先级队列中的元素数量。

size_t size = pq.size(); // size 现在是 2

检查优先级队列是否为空

empty

• 检查优先级队列是否为空。

bool isEmpty = pq.empty(); // isEmpty 现在是 false

模拟实现

下面是一个简单的优先级队列的模拟实现，使用数组和一个比较函数。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
template <typename T>
class SimplePriorityQueue {
private:
    std::vector<T> data;
    bool (*compare)(const T&, const T&);
public:
    SimplePriorityQueue(bool (*comp)(const T&, const T&)) : compare(comp) {}
    void push(const T& value) {
        data.push_back(value);
        std::push_heap(data.begin(), data.end(), compare);
    }
    void pop() {
        std::pop_heap(data.begin(), data.end(), compare);
        data.pop_back();
    }
    T& top() {
        return data.front();
    }
    bool empty() const {
        return data.empty();
    }
    size_t size() const {
        return data.size();
    }
};
bool compareInt(const int& a, const int& b) {
    return a > b; // 大根堆
}
int main() {
    SimplePriorityQueue<int> pq(compareInt);
    pq.push(30);
    pq.push(10);
    pq.push(20);
    std::cout << "Top: " << pq.top() << std::endl; // 输出 30
    pq.pop();
    std::cout << "Top: " << pq.top() << std::endl; // 输出 20
    return 0;
}

在这个模拟实现中，我们使用了 std::vector 来存储数据，并使用 std::push_heap 和 std::pop_heap 来维护堆的属性。我们还需要提供一个比较函数来定义元素的优先级。