双端队列和优先级队列

文章目录

  • 前言
  • deque
    • deque底层设计
    • 迭代器设计
  • priority
  • 仿函数
  • 数组中的第k个最大元素
  • 优先级队列模拟实现
    • push
    • pop
    • 调整
    • 仿函数
    • 存储自定义类型

前言

今天要介绍比较特殊的结构，双端队列。
还有一个适配器，优先级队列。

deque

在这里插入图片描述
栈的默认容器用了一个deque的东西，这个东西是啥?
deque虽然是队列，但它不是正队列，它是双端队列。

为什么叫双端队列，因为它最适合头插头删，尾插尾删。

deque对标的是vector+list.

它的结构和前面没有什么差别。
在这里插入图片描述

这些功能只有我们之前讲的list能做到。
在这里插入图片描述

最牛逼的是还有这个
在这里插入图片描述

看，它既支持vector的功能又支持list的功能。

但是这个东西真的这么牛吗？
要回答这个问题，我们得看一下deque的底层设计。

deque底层设计

我们先来分析一下顺序表和链表的区别。

顺序表：
它最大的优点就是空间连续随机访问，但是也带来了，头插，中间插入删除的困难。
在这里插入图片描述

其实顺序表还有一个优点就是高速缓存效率高，但是这里学习的时候不作为重点。

链表：
在这里插入图片描述

能不能把list和vector的优点合起来呢?
有人用了一个折中的思路。

折中的思路，一次开一个的小数组，满了以后在开一段空间，不扩容。
怎样管理多端小数组？中控（指针数组）
在这里插入图片描述

假设我要头插或者尾插
在这里插入图片描述

大家看这个结构什么时候需要扩容？
中控满了就需要扩容。但是扩容的代价低。因为中控扩容中只拷贝指针。

在这里插入图片描述

假设我要访问第25个数据，怎么访问？
在这里插入图片描述

小数组要不要扩容，这是很灵活的，得你自己去看

为什么它的扩容代价低?
相比vector而言，只需要拷贝指针，代价低了很多。
但相比list而言，还是比不过list,list没有扩容的概念，增加一个数据它就开一次空间。

在这里插入图片描述

注意，deque的随机访问比vector低，但是比list还是高很多。

在这里插入图片描述

deque适合干嘛？
头插头删多，尾插尾删多可以用。

大家可以去测试一下deque和vector和list sort的效率
其实效率都不如拷贝到vector,进行排序然后拷贝回去。

迭代器设计

它的迭代器设计是我们目前为止接触到最复杂的迭代器。
在这里插入图片描述
它有四个指针，看它们分别干嘛的？

在这里插入图片描述

cur:当前指向数据的位置
first和last:buff数组开始和结束
node:反向指向中控数组

在这里插入图片描述
好像也没有那么难理解。

这里就不模拟实现了，deque在现实生活中用的其实不多，除了用来做头插头删，做deque的默认容器以外，
实际当中用的还是vector和list.

如果对deque有兴趣可以去看一下源码，但其实没必要，有些东西我们需要深入学习，但deque我们只需要
了解它的框架就可以了。

priority

这个东西还是挺适用的，很多地方都要用。
在这里插入图片描述
默认容器是vector,当然你也可以传deque，但是这里deque不如vector.

它有个要求，就是随机访问的迭代器。

它是优先级队列，看一下接口就知道了。
在这里插入图片描述
它的接口跟我们的堆很想。

它这里需不需要符合先进先出？
不需要，它是要求优先级高的先出。

它也不支持遍历，容器适配器都不支持遍历。

还是出一个走一个。

void test_priority_queue()
{
//默认是大堆，大的优先级高priority_queue<int> pq;pq.push(1);pq.push(0);pq.push(5);pq.push(2);pq.push(1);pq.push(7);while (!pq.empty()){cout << pq.top() << " ";pq.pop();}cout << endl;
}

在这里插入图片描述

它默认认为什么的优先级高？
大的优先级高。

它的底层是一个vector，vector的底层实际是一个堆，也就是一个完全二叉树。
默认是大堆。

那我现在有一个问题，以后要用topk的时候，还需要自己写一个堆出来吗？
不需要。

如果要变成小堆，怎么办？
用了一个仿函数。
在这里插入图片描述
这里用了一个less,默认是大堆。

// 小堆 -- 小的优先级高
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> pq;

包一下这个文件

#include <functional>

仿函数

假设我需要写一个大于或小于的仿函数，怎么写呢?
其实很简单， 仿函数都有一个特点，重载一个（）的运算符。
这个（）就是函数参数的括号的运算符。

在这里插入图片描述

如果但看这一行，你会觉得lessFunc是什么？

cout << lessFunc(1, 2) << endl;

函数名或者函数指针，但它其实是一个对象。
这个类叫做仿函数。表示它的对象可以像函数一样去使用。但它的本质是调用operator(), 是运算符重载。

仿函数有什么好处？
它的好处是能更好的去做类型。模拟实现优先级队列的时候能更好理解。
它的对象可以像函数一样调用，我们就可以控制很多行为。

C++搞出这个东西是由于函数指针太复杂了。具体是函数指针的类型太复杂了。有些地方是要去做回调。

C的qsort
在这里插入图片描述
C++的sort
在这里插入图片描述
把上面的仿函数更改为针对任意类型。

#include <functional>
template<class T>
struct Less
{bool operator()(const T& x, const T& y){return x < y;}
};int main()
{Less<int> lessFunc;cout << lessFunc(1, 2) << endl;return 0;
}

下面我们用优先级队列来做一个题目

数组中的第k个最大元素

数组中的第k个最大元素
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
返回第k个最大元素，好不好找？
排序就搞定了。
在这里插入图片描述

但是时间复杂度不满足
这道题最好的方式肯定还是快排的思想，我们这里不考虑这个，我们把堆用起来。

如果这道题优先级队列来解决,怎么解决?
在这里插入图片描述

pop k次，堆顶的元素就是我们要找的元素。
这样写，时间复杂度是多少？
第四行的时间复杂度是多少?N
我们知道向下建堆可以O(N).

pop的时间复杂是多少？
K*logN

所以合计的时间复杂度。
O(KlogN+N)
这里如果k==N,那就麻烦了，时间复杂度是NlogN

假设N远大于k,且N很大，有什么优化方式？
我们要找最大的前k个，除了全部建大堆，还有没有其他方式？

我们还可以建k个元素的堆。

那我们建大堆还是小堆？
Top k最大的前k个，我们是要建小堆。

看代码
在这里插入图片描述
这样解决时间复杂度是多少？
在这里插入图片描述

它最大的特点是消耗空间很小。

我们学会了优先级队列，根本不需要去手搓一个堆

优先级队列模拟实现

在这里插入图片描述

首先，底层要存数据还是用vector这样的东西来存.

接着我们在把要写的接口给写出来，这跟栈还是很像的。
在这里插入图片描述

push

想一想堆是怎么push数据的？
堆的底层是一个数组的结构。我们插入数据的时候向上调整。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

pop

堆的数据删除怎么删？
堆的删除直接删，不然堆就挪乱了。效率极低。
堆删除数据是删除第一个数据，将第一个数据和最后一个数据交换，然后删除最后一个数据，然后从根开始向下调整。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

调整

怎呢向上调整？
跟父结点比，挨着挨着往上走就可以了。
先搞大堆。
在这里插入图片描述

template<class T, class Container = vector<T>>class priority_queue{public:void adjust_up(int child){Comapre com;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}}void adjust_down(int parent){size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){Comapre com;if (child + 1 < _con.size() && _con[child] < _con[child + 1]){++child;}if (_con[parent] < _con[child]){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}}void push(const T& x){_con.push_back(x);adjust_up(_con.size()-1);}void pop(){swap(_con[0], _con[_con.size() - 1]);_con.pop_back();adjust_down(0);}size_t size(){return _con.size();}bool empty(){return _con.empty();}private:Container _con;};

快速写了一个优先级队列，测试一下，自己写的代码。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

它的适配器默认是vector，这里用deque,但是它照样能跑。
也就是说这里你只需要符合它的需求，满足上面的接口，这个程序都可以正常运行。

它们的底层已经天差地别了，一个是vector,一个是双端队列，但是对这个上层的优先级队列完全没有影响。这就是容器适配器，只要你那个东西满足我的需求，我就可以转换成我想要的东西。

仿函数

上面写的是大堆的代码，那我要变成小堆呢？
要变成小堆，就要控制上面调整的比较方式。
在这里插入图片描述

总不能纯手搓吧。我们肯定是先把大堆写出来，加东西，然后顺便改一下就变成小堆了。
那这一定是外部可以传一个东西去控制，它这里是通过模板参数去控制的。

怎么通过模板参数来控制呢？
先写两个可以比较的仿函数。
在这里插入图片描述
那就可以用这个类型的对象去比较。

//跟库里面保持一致，大堆用一个小于。
template<class T, class Container = vector<T>,  class Compare = less<T>>

神奇的事情发生了。
大堆和小堆就可以随意更换了。

void adjust_up(int child)
{Comapre com;int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//if (_con[parent] < _con[child])if (com(_con[parent], _con[child]))//if (Comapre()(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else{break;}}
}void adjust_down(int parent)
{size_t child = parent * 2 + 1;while (child < _con.size()){Comapre com;//if (child + 1 < _con.size() //	&& _con[child] < _con[child + 1])if (child + 1 < _con.size() && com(_con[child],_con[child + 1])){++child;}//if (_con[parent] < _con[child])if (com(_con[parent], _con[child])){swap(_con[child], _con[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else{break;}}
}

template<class T, class Container = vector<T>,  class Compare =less<T>>

以前用的泛型是控制数据类型，不知道具体的数据类型是什么，你传什么就是什么。
现在控制的不是类型，控制的是比较方式。默认它是less,那com就是less对象，less对象去调用operator()，那它就是小于比较方式。
在这里插入图片描述
它能够通过模板参数传类型，类型里面实例化对象控制比较的方式。

跟函数指针的比较
模板传的是类型，仿函数是一个类。类型就可以在模板参数传，模板参数传有什么好处？
我整个类都可以用。

仿函数还有其他功能，我们在后面会C++的学习中会慢慢感受到

存储自定义类型

假设我们优先级数列存储的数据不再是内置类型。自定义类型，能不能用优先级队列。
也可以。

大堆：
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小堆：
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日期类需要重载大于，小于才行。
如果没有重载就需要写仿函数才能搞定。
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给大家看一下更牛逼的东西。
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结果每次都不一样
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怎么回事呢？
现在存进去的T是Date*,不是Date.
Date* 可以进行比较，但这不是我想要的。
Date* 是new出来的，new是堆上申请的空间，那个地址可能先大先小，完全没有规律。

template<class T, class Container = vector<T>,  class Compare =less<T>>

如果我非要这样比较呢？
我们的骚操作又要上场了。

默认是大堆。
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再怎么运行他都不会变。
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小堆：
再写一个仿函数
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这是不是给了一个非常大的空间
它真正的优势在于，我就是个compare对象，有个默认比较方式，但是你想要其他的比较方式，全部都可以交给你控制。你想怎么比就怎么比。

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