C++之deque和priority_queue的应用

前言：
前面篇章学习了C++对于各个容器的基本使用以及常用接口的认识，接下来继续学习，C++的priority_queue的基本使用等知识。
/知识点汇总/

1、deque的简单介绍

Deque（双端队列）是一种具有队列和栈性质的数据结构，其特点在于允许元素从两端弹出。
Deque在C++的标准模板库（STL）中，提供了高效的随机访问、高效的头部和尾部插入/删除操作，是一种非常实用的容器。其底层使用动态数组实现，支持高效的随机访问。
同时，Deque内部采用了一种分段的数据结构，使得在头部和尾部进行插入和删除操作时具有高效性能。
但需要注意的是，Deque的元素在内存中不是连续存储的，每个分段内的元素是连续存储的。

底层查找逻辑：

找到第i个值
1.如果第一个buff不满，i-=第一个buff的数据个数，再走下面的运算；
2.如果第一个buff满的，那么直接走下面的运算；
运算：
a、在第几个buff–> i/N
b、在这个buff的第几个—>i%N

2、deque的简单接口应用

#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <vector>
#include <queue>
#include <algorithm>
using namespace std;
void test_deque1()
{//模板bit::deque<int> dt; dt.push(1);dt.push(2);dt.push(3);while (!dt.empty()){cout << dt.front() << " ";dt.pop();}cout << endl;}//[]的运用相较vector和list较慢。
void test_sort()
{srand((unsigned int)time(0));const int N = 100000;std::deque<int> dp;vector<int> v;for (int i = 0; i < N; i++){auto e = rand() + 1;v.push_back(e);dp.push_back(e);}int begin1 = clock();sort(v.begin(), v.end());int end1 = clock();int begin2 = clock();sort(dp.begin(), dp.end());int end2 = clock();printf("vector: %d\n", end1 - begin1);printf("deque: %d\n", end2 - begin2);
}int main()
{//test_deque1();test_sort();return 0;
}

3、deque的模拟实现

namespace bite
{template<class T, class Container = list<T>>class deque{public:void push(const T& x){_con.push_back(x);}void pop(){_con.pop_front();}T& back(){return _con.back();}const T& back() const{return _con.back();}T& front(){return _con.front();}const T& front() const{return _con.front();}size_t size() const{return _con.size();}bool empty() const{return _con.empty();}private:Container _con;};
}

4、priority_queue的简单介绍

priority_queue（优先队列）是一种数据结构，其内部实现通常基于二叉堆。
在优先队列中，元素的优先级被明确定义，队首元素始终是当前队列中优先级最高的元素。
在任何时候向优先队列中添加元素（push），底层的数据结构堆（heap）会随时调整结构，以确保队首元素始终具有最高优先级。
在C++中，priority_queue是STL（Standard Template Library）提供的一个容器适配器，用于实现优先队列。它允许在底部添加元素、在顶部删除元素，并支持高效的插入和删除操作，其时间复杂度为O(log n)，其中n是容器中的元素数量。

仿函数：

仿函数（Functors）或函数对象（Function Objects）是C++中一种特殊的类，它们被设计为像函数那样被调用，但实际上它们是对象。仿函数通常重载了operator()，这使得它们可以像函数那样使用圆括号和参数进行调用。

5、priority_queue的应用

void test_priority_queue1()
{priority_queue<int> pq;pq.push(1);pq.push(4);pq.push(3);pq.push(2);pq.push(5);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;
}//默认是大堆，那么需要小堆怎么处理呢？ --- 仿函数greater
void test_priority_queue2()
{priority_queue<int,vector<int>,greater<int>> pq;pq.push(1); pq.push(4);pq.push(3);pq.push(2);pq.push(5);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;vector<int> v = { 3,1,2,4,5,1,5,8,9 };sort(v.begin(), v.end());//默认为升序for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;//仿函数//greater<int> gt;//sort(v.begin(), v.end(), gt);//输出为降序//通常用匿名对象greater<int>()sort(v.begin(), v.end(), greater<int>());for (auto e : v){cout << e << " ";}cout << endl;
}
//仿函数 -- 日期类
//日期类
class Date
{
public:friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d);Date(int year = 1900, 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);}
private:int _year;int _month;int _day;
};
ostream& operator<<(ostream& _cout, const Date& d)
{_cout << d._year << "-" << d._month << "-" << d._day;return _cout;
}//仿函数控制比较逻辑，控制如何比较
class GreaterPDate
{
public:bool operator()(const Date* p1, const Date* p2){return *p1 > *p2;}
};void test_greator_Date()
{//bit3::priority_queue<Date, vector<Date>, greater<Date>> pqdate;bit3::priority_queue<Date, vector<Date>> pqdate;Date d1(2024, 4, 8);pqdate.push(d1);//有名对象pqdate.push(Date(2024,4,10));//匿名对象pqdate.push({2024,4,15});//隐式类型转换 --- 会生成临时对象，让临时对象走构造while (!pqdate.empty()){cout << pqdate.top() << " ";pqdate.pop();}cout << endl;//注意对Date*的引用 -- 本质是比较的地址，地址new开辟是随机的，所以不能直接比较大小//所以可以用特定的仿函数解决//且注意：不能对内置类型进行重载bit3::priority_queue<Date*, vector<Date*>, GreaterPDate> pqptr;pqptr.push(new Date(2024, 4, 14));pqptr.push(new Date(2024, 4, 11));pqptr.push(new Date(2024, 4, 18));while (!pqptr.empty()){cout << *(pqptr.top()) << " ";pqptr.pop();}cout << endl;
}

6、priority_queue的模拟实现

namespace bit3
{//仿函数template<class T>class Less{public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}};template<class T>class greator{public:bool operator()(const T& x, const T& y){return x > y;}};template<class T, class Container = vector<T>, class Copmpare = Less<T>>//默认Less大堆class priority_queue{public:void Adjust_up(size_t child){Copmpare cmp;size_t parent = (child - 1) / 2;while (child > 0)//孩子到根·就结束{//if (_con[child] > _con[parent])//if (_con[parent] < _con[child])if (cmp(_con[parent], _con[child]))//仿函数的应用{swap(_con[child], _con[parent]);//更新父子的位置child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else//遇见child < parent时跳出{break;}}}//尾插 + 向上调整void push(const T& x){_con.push_back(x);Adjust_up(_con.size() - 1);}void Adjust_down(size_t parent){Copmpare cmp;size_t child = parent * 2 + 1;//左孩子while (child < _con.size()){//if (child + 1 < _con.size() && _con[child + 1] > _con[child])//if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && cmp(_con[child], _con[child + 1])){++child;}//if (_con[child] > _con[parent])//if (_con[parent] < _con[child])if (cmp(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);//更新父子的位置parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}//首尾交换 + 尾删 + 向下调整void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();Adjust_down(0);}bool empty(){return _con.empty();}size_t size() const{return _con.size();}const T& top(){return _con[0];}private:Container _con;};
}

7、小结

vector
优点：支持下标的随机访问
缺点：头部或中间的插入效率低，扩容存在消耗
list
优点：任意位置的插入删除效率都不错
缺点：不支持下标的访问
deque
优点：头插尾插效率高
缺点：中间插入效率较低(涉及整体挪动buffer还是局部挪动buffer),其次，[]的运用不够极致优化
所以deque兼容了两个的优点功能。
那么deque肯定比list和vector更好？
其实不然，具体场景具体的应用，其次数据结构教科书，为什么不直接学queue呢。
所以，本质上，queue是通过许多个buff数组和中控指针数组构成的。
priority_queue
在需要按照优先级处理元素的场景中表现出色，尤其是在需要频繁地插入和删除元素的情况下。它的高效性主要来自于其内部实现的堆结构，这种结构使得插入和删除操作的时间复杂度保持在对数级别。