关于优先队列priority_queue大小根堆、重载操作符的说明

关于priority_queue的说明

内部实现

priority_queue 默认情况下，以vector 为底层容器，加上heap(默认max-heap) 处理规则；形成大根堆。

priority_queue被归为 container adapter，也就是对 container 进行封装一层。

priority_queue 操作规则上是 queue，只允许在尾部加入元素，并从首部取出元素；只不过内部元素具有优先级，优先级高者先出。

priority_queue 的所有元素进出具有一定规则，所以不提供遍历功能，也不提供迭代器。

疑惑产生

下面为priority_queue 的使用规则，第一个传入了类型，第二个为容器类型，第三个为比较函数。

template<
    class T,
    class Container = std::vector<T>,
    class Compare = std::less<typename Container::value_type>   //comp默认为less
> class priority_queue;

疑惑关键就在于比较函数。

priority_queue 默认形成大根堆，而传入的comp默认为less。

为何传入一个可将序列顺序调为有小到大的函数，建成的堆反而是大顶堆呢？

不知你们有没有这种感觉？直觉上认为传入less，建成小顶堆，而传入greater，建成大顶堆。

源码解析

std::less()源码：若__x < __y，则返回true，顺序不变，否则，顺序发生变化。这个函数名含义与实现效果相一致。

struct less : public binary_function<_Tp, _Tp, bool>
{
    _GLIBCXX14_CONSTEXPR
    bool
    operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const
    { return __x < __y; }
};

make_heap中调用的__push_heap源码：

__push_heap(_RandomAccessIterator __first, _Distance __holeIndex,
            _Distance __topIndex, _Tp __value, _Compare __comp)
    //__holeIndex  新添加节点的索引，即叫做孔洞
    //__topIndex  顶端索引
    //__value   新添加节点的值
    //__comp    比较函数，传入为less
{
  _Distance __parent = (__holeIndex - 1) / 2;   //找到新节点父节点索引
  while (__holeIndex > __topIndex && __comp(*(__first + __parent), __value)) {
      //若孔洞没有到达最顶端  &&  父节点的值小于新添加节点的值，则要进行下列操作
      //less中，左边比右边小则返回true，与less愿意相同
    *(__first + __holeIndex) = *(__first + __parent);   //将父节点的值放入孔洞
    __holeIndex = __parent; //孔洞的索引编程了原来父节点的索引，往上移动了
    __parent = (__holeIndex - 1) / 2;   //那么孔洞的父节点又要继续往上找
  }
  *(__first + __holeIndex) = __value; //将新添加节点的值放在找到的位置（孔洞）
}

经过上面源码分析，传入的comp就是为了在比较孔洞节点与父节点的大小，若返回true，才会进行交换操作。

所以传入less，返回true是因为父节点比孔洞节点小，所以要进行交换，则将大的值移动到前面，所以建成的堆为大顶堆。

而传入greater，返回true是因为父节点比孔洞节点答，所以进行叫喊，则将大的值移动到了后面，所以建成的堆为小顶堆。

所以，就明白了为什么传入less反而形成了大根堆，而传入greater则形成了小根堆。

如何使用

#include <queue>
using namespace std;
​
priority_queue<int> que;    //默认定义了最大堆，等同于将第三个参数使用less<int>
priority_queue<int, vector<int>, less<int>> que;  //定义大根堆
​
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> que;  //定义小根堆，VS下需要加入头文件#include<functional>
​
//测试 priority_queue<int> que;
que.push(3);
que.push(5);
que.push(4);
cout << que.top() << endl;  //5
​
//测试 priority_queue<int, vector<int>, less<int>> que;
que.push(3);
que.push(5);
que.push(4);
cout << que.top() << endl;  //5
​
//测试 priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> que;
que.push(3);
que.push(5);
que.push(4);
cout << que.top() << endl;  //3

关于自定义优先级

上面给出了在处理整型等基本数据类型时直接出入less或者greater既可以建立相应的大顶堆或者小顶堆。若是处理结构体呢？如何定义优先级呢？

普通数据类型

基本数据类型的比较函数可以直接使用less<int>或者greater<int>可以满足建立大根堆或者小根堆。

结构体

对于结构体而言，将结构体放入优先队列中，比较函数需要建立在针对结构体的具体成员。

参考https://www.cnblogs.com/flipped/p/5691430.html 博客自定义优先级。

自定义优先级的三种方法：

1.<以成员函数重载:

struct Node {   //我们将Node节点放入优先队列中希望以value进行比较
    Node(int _id, int _value) : id(_id), value(_value){}
    int id;
    int value;
};
​
//大根堆
bool operator < (const Node& a, const Node& b)
{
    return a.value < b.value; //将value的值由大到小排列，形成Node的大根堆
}
​
int main()
{  
    struct Node node1(1, 5);
    struct Node node2(2, 3);
    struct Node node3(3, 4);
    
    priority_queue<Node> que;
    
    que.push(node1);
    que.push(node2);
    que.push(node3);
    
    cout << que.top().value << endl;    //5
}

//小根堆
bool operator < (const Node& a, const Node& b)
{
    return a.value > b.value; //将value的值由小到大排列，形成Node的小根堆
}
​
cout << que.top().value << endl;    //3

我试了 bool operator > ()，结果会报二进制“<”: 没有找到接受“const Node”类型的左操作数的运算符(或没有可接受的转换） 错误，我想原因应该是这样吧：priority_queue中默认的比较函数为less，less函数中只用到了 { return __x < __y; }，所以重载中若只重载了>，函数找不到<，所以会出现错误。

struct less : public binary_function<_Tp, _Tp, bool>
{
    _GLIBCXX14_CONSTEXPR
    bool
    operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const
    { return __x < __y; }
};
 

2.自定义比较函数:

struct cmp{
​
    bool operator ()(const Node& a, const Node& b)
    {
        return a.value < b.value;//将value的值由大到小排列，形成Node的大根堆
    }
};
priority_queue<Node, vector<Node>, cmp>q;
cout << que.top().value << endl;    //5

struct cmp{
​
    bool operator ()(const Node& a, const Node& b)
    {
        return a.value > b.value;//将value的值由小到大排列，形成Node的小根堆
    }
};
priority_queue<Node, vector<Node>, cmp>q;
cout << que.top().value << endl;    //3

上述在传入用户自定义的比较函数，那么在建堆过程中使用的comp函数即为我们自定义的cmp，这样分析同上。

3.<以类成员函数重载

struct Node {    //我们将Node节点放入优先队列中希望以value进行比较
    Node(int _id, int _value) : id(_id), value(_value){}
    int id;
    int value;
    //大根堆
    bool operator < (const Node& b) const    //注意，此处若没有const则会报错
    {
        return value < b.value; //将value的值由大到小排列，形成Node的大根堆
    }

};

cout << que.top().value << endl;  //5

4.<以友元函数重载

struct Node{
    int id;
    int value;
    friend bool operator<(const Node& a,const Node& b){
        return a.value<b.value;  //按value从大到小排列
    }
};
priority_queue<Node>q;    

刚开始不太明白友元操作符重载函数，先了解下重载与友元。

重载类型

参考：https://www.cnblogs.com/Mayfly-nymph/p/9034936.html

综合，在C++中，操作符重载实现通过类成员函数、全局函数（非类成员函数）与友元函数（不是类成员却能够访问类的所有成员 ）。

上面对<重载使用到类全局函数、友元函数、类成员函数。

使用友元函数重载有两个优点：和普通函数重载相比，它能够访问类的非公有成员与将双目运算符重载为友元函数，这样就可以使用交换律。

交换律可以理解成复数加法中，以成员函数的形式重载 +，只能计算 c + 15.6，不能计算 28.23 + c，这是不对称的 。

何为友元

友元函数

类的友元函数是定义在类外部，但有权访问类的所有私有（private）成员和保护（protected）成员。

尽管友元函数的原型有在类的定义中出现过，但是友元函数并不是成员函数。

友元可以是一个函数，该函数被称为友元函数；

友元也可以是一个类，该类被称为友元类，在这种情况下，整个类及其所有成员都是友元。

如果要声明函数为一个类的友元，需要在类定义中该函数原型前使用关键字 friend。如下设置友元函数：

class Box
{
   double width;
public:
   double length;
   friend void printWidth( Box box );
   void setWidth( double wid );
};

声明类 Usb 的所有成员函数作为类 Phone 的友元，需要在类 Phone 的定义中放置如下声明：

class Usb
{
private:
    int size;
    friend class Phone;  //声明 Phone为友元类
};
class Phone
{
public:
    Usb usb;
    void setPhone() 

    {
        usb.size += 1000;  //因Phone是Usb的友元类，故此处可以访问其私有成员
    }
};