C++二叉堆(priority_queue)

二叉堆是完全二叉树的特殊形式,分两种:​

- 大根堆:父节点值≥左右子节点值(堆顶为最大值)​

- 小根堆:父节点值≤左右子节点值(堆顶为最小值)​

//模板参数:元素类型,底层容器(默认vector),比较器(默认less<T>大根堆)
priority_queue<T,Container,Compare>pq;

//示例
priority_queue<int>pq1;//大根堆(默认):less<int>,底层vector<int>
priority_queue<int,vector<int>,greater<int>>pq2;//小根堆

操作​

功能​

时间复杂度​

内部逻辑​

push(x)​

插入元素 x​

O(logn)​

放数组尾部,通过 “上浮” 调整堆​

pop()​

删除堆顶元素​

O(logn)​

交换堆顶与最后元素,删尾部,新堆顶 “下沉” 调整​

top()​

获取堆顶元素(最值)​

O(1)​

返回数组首元素(根节点)​

empty()​

判断是否为空​

O(1)​

检查底层容器是否为空​

size()​

获取元素个数​

O(1)​

返回底层容器大小​

//例:用小根堆求数组前k大
vector<int>topK(vector<int>&nums,int k){
    priority_queue<int,vector<int>,greater<int>>pq;//小根堆(容量保持k)
    for(int x:nums){
        pq.push(x);
        if(pq.size()>k)pq.pop();//超过k则删除最小值(堆顶)
    }
    //最终堆中元素为前k大
    vector<int>res;
    while(!pq.empty()){
        res.push_back(pq.top());
        pq.pop();
    }
    return res;
}

嘤嘤嘤,不想手写……

<think>首先,用户的问题是关于C++优先队列priority_queue的实现方法,特别是包含自定义结构体的实现。用户提供了几个引用,我需要参考这些引用来构建回答。 关键点: - 用户强调了要包含自定义结构体的实现方法。 - 回答必须使用中文。 - 所有行内数学表达式用$...$格式,独立公式用$$...$$格式。 - 生成相关问题。 - 引用的段落末尾添加引用标识。 - 结构清晰,逐步解决。 回顾用户提供的引用: - [1]: 解释了priority_queue是容器适配器,底层使用堆,并提到了堆的参考链接。 - [2]: 描述了priority_queue的行为,元素按优先级出队,默认最大元素优先。 - [3]: 给出了一个例子,展示了默认行为:值大的优先级高。 - [4]: 讨论了仿函数(functor),在自定义比较时使用。 用户的需求是查找priority_queue的实现方法,尤其是自定义结构体的实现。这意味着我需要解释如何为自定义结构体定义比较器,因为priority_queue需要指定优先级。 步骤: 1. **介绍priority_queue**:简要解释它是什么,基于引用[1]和[2]。 2. **自定义结构体的需求**:解释为什么需要自定义比较器。 3. **实现方法**:详细说明如何使用仿函数或lambda表达式来定义比较器。 - 基于引用[4],仿函数是通过重载operator()的类。 - 使用lambda表达式(C++11及以上)。 4. **例子**:提供一个使用自定义结构体的完整代码示例。 - 结构体定义。 - 比较器定义。 - priority_queue的声明和使用。 5. **注意事项**:比如比较器的类型、默认行为等。 6. **生成相关问题**:基于内容。 确保LaTeX语法正确: - 行内数学表达式:如$O(\log n)$。 - 独立公式:如果涉及算法复杂度,如堆操作的时间复杂度$$O(\log n)$$。 回答结构: - 开头:直接回答问题。 - 主体:分步解释。 - 代码块:提供示例。 - 结尾:生成相关问题。 生成相关问题: - 如:如何为priority_queue定义最小堆? - priority_queue的底层实现细节? - 仿函数的其他应用? 引用标识: - 在引用的段落末尾添加[^1], [^2], 等。 用户提供的引用中,[1]到[4]是给定的,我应该基于这些构建内容。 核心内容: - priority_queue的默认行为:最大元素优先,使用堆实现[^1]。 - 自定义结构体需要提供比较器,因为priority_queue需要知道如何比较元素。 - 比较器可以是仿函数(定义一个类重载operator())或lambda。 - 示例:定义一个结构体,比如Person,有age和name,然后根据age排序。 代码示例: - 定义结构体,比如struct Person。 - 定义仿函数,比如struct ComparePerson,重载operator()。 - 声明priority_queuepriority_queue<Person, vector<Person>, ComparePerson>。 - 使用push, top, pop等操作。 在代码块中展示。 最后,生成3-4个相关问题。 </think> ### C++优先队列priority_queue自定义结构体实现方法 在C++中,`priority_queue`(优先队列)是一个容器适配器,它基于堆(heap)数据结构实现,默认情况下元素按最大值优先(大顶堆)的顺序出队。当使用自定义结构体时,`priority_queue`无法直接比较元素优先级,因此需要自定义比较器(comparator)。比较器可以是仿函数(functor)或lambda表达式,通过重载比较逻辑来定义优先级规则。下面我将分步解释实现方法,并提供完整代码示例。 #### 步骤1: 理解自定义比较器的需求 - `priority_queue`的声明模板为:`priority_queue<T, Container, Compare>` - `T`: 元素类型(如自定义结构体) - `Container`: 底层容器(默认为`vector<T>`) - `Compare`: 比较器类型(默认为`less<T>`,即大顶堆) - 对于自定义结构体,必须提供`Compare`参数来指定比较规则,否则编译器无法确定元素优先级[^4]。 #### 步骤2: 定义自定义结构体和比较器 比较器可以是仿函数(一个类重载`operator()`)或lambda表达式(C++11及以上)。仿函数通过重载`()`运算符来定义比较逻辑[^4]。 **示例结构体定义**: 假设我们定义一个`Person`结构体,包含姓名和年龄,需要按年龄升序(年龄小优先级高)排序: ```cpp #include <iostream> #include <queue> #include <string> #include <vector> using namespace std; struct Person { string name; int age; // 可选:构造函数简化初始化 Person(string n, int a) : name(n), age(a) {} }; ``` **方法1: 使用仿函数(推荐)** 仿函数是一个类,需重载`operator()`。例如,定义年龄升序比较器: ```cpp struct ComparePerson { // 重载 operator(), 返回 bool 类型 bool operator()(const Person& a, const Person& b) { // 按年龄升序:年龄小的优先级高(小顶堆) return a.age > b.age; // 注意:这里用 > 实现升序 } }; ``` - **为什么用`a.age > b.age`**:在优先队列中,比较器返回`true`表示`a`的优先级**低于**`b`(即`b`应排在`a`前面)。因此,`a.age > b.age`为`true`时,`b`(年龄小)优先级更高[^2][^3]。 - 仿函数可以用`struct`或`class`(如用`class`需将成员设为`public`)。 **方法2: 使用lambda表达式(C++11+)** lambda表达式更简洁,但需配合`decltype`和构造函数: ```cpp auto comp = [](const Person& a, const Person& b) { return a.age > b.age; // 同样按年龄升序 }; // 声明队列时需指定比较器类型和实例 priority_queue<Person, vector<Person>, decltype(comp)> pq(comp); ``` #### 步骤3: 声明和使用priority_queue 基于仿函数声明队列,并操作元素: ```cpp int main() { // 使用仿函数声明优先队列(年龄升序,小顶堆) priority_queue<Person, vector<Person>, ComparePerson> pq; // 添加元素 pq.push(Person("Alice", 30)); pq.push(Person("Bob", 25)); pq.push(Person("Charlie", 35)); // 访问和弹出元素 while (!pq.empty()) { Person top = pq.top(); // 获取最高优先级元素 cout << "Name: " << top.name << ", Age: " << top.age << endl; pq.pop(); // 弹出队头元素 } return 0; } ``` **输出**: ``` Name: Bob, Age: 25 Name: Alice, Age: 30 Name: Charlie, Age: 35 ``` - **时间复杂度**:插入和删除操作的平均复杂度为$O(\log n)$,堆维护高效。 #### 注意事项 - **比较器逻辑**: - 升序(小顶堆):比较器返回`a > b` - 降序(大顶堆,默认):返回`a < b` 这与数学排序逻辑一致,例如在堆中维护最小值时用`>`。 - **底层实现**:`priority_queue`基于堆(如二叉堆),通过`push`(插入后上浮)和`pop`(删除后下沉)保持堆属性。 - **错误避免**:未定义比较器会导致编译错误;确保比较器严格弱序(如避免`a == b`时返回`true`)。 此方法适用于任何自定义结构体,只需在比较器中定义相关字段的优先级规则。更多细节可参考C++标准库文档[^4]。
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