【速記】C++ STL自定義排序

来源:https://www.cnblogs.com/somebottle/archive/2023/01/22/cpp_stl_custom_compare_tricks.html
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這篇筆記咱日後應該還會進行補充。 關於sort的比較函數 STL的algorithm庫中的sort函數,可以接受一個cmp函數作為第三個參數,用來指定排序的規則。 自定義sort比較函數 cmp(a,b)函數的返回值是一個bool值,當返回值為true時不改變元素順序。 可以把其中的a看作序列中前一 ...


這篇筆記咱日後應該還會進行補充。

關於sort的比較函數

STL的algorithm庫中的sort函數,可以接受一個cmp函數作為第三個參數,用來指定排序的規則。

自定義sort比較函數

cmp(a,b)函數的返回值是一個bool值,當返回值為true不改變元素順序

可以把其中的a看作序列中前一個元素b看作後一個元素:

  • 如果a < b的時候cmp(a,b)=true,那麼a就會被放在b前面,排序呈升序。
  • 如果a < b的時候cmp(a,b)=false,那麼b就會被放在a前面,排序呈降序。

也就是說cmp(a,b)=true的時候,有a < b成立,期望程式a放在b前面

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

bool ascending(int a, int b) // 升序排序,讓a先於b
{
    // 把a看作序列中前一個元素,b看作後一個元素
    return a < b; // 如果返回true就說明a<b成立,期望程式把a放在b前面
};

bool descending(int a, int b) // 降序排序,讓b先於a
{
    // 把a看作序列中前一個元素,b看作後一個元素
    return b < a; // 如果返回true就說明b<a成立,期望程式把b放在a前面
};

int main()
{
    int test[10] = {9, 4, 2, 5, 1, 7, 3, 6, 8, 10};
    sort(test, test + 10, ascending);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        cout << test[i] << " ";
    // Ouput: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    cout << "\n";
    sort(test, test + 10, descending);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        cout << test[i] << " ";
    // Ouput: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    return 0;
}

預設sort比較函數

預設情況下,sort函數會使用<運算符作比較。(也就是預設升序排序)

這個時候如果要自定義排序規則,可以重載<運算符

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

struct Node
{
    int data;
    bool operator<(const Node &obj)
    {
        return data > obj.data; // a>b的時候返回true, 相當於cmp(b,a)=true, 期望b排在a前面
    }
};

int main()
{
    Node test[10] = {{1}, {4}, {2}, {5}, {9}, {7}, {3}, {6}, {8}, {10}};
    sort(test, test + 10);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        cout << test[i].data << " ";
    // Output: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    return 0;
}

自定義容器內元素排序

priority_queuemapset這些常見容器都可以自定義比較規則,常用的有以下兩種途徑:

  1. 自定義比較類

  2. 重載運算符

自定義比較類

在cppreference頁面可以看到,這類元素有序的容器都有個預設的Compare比較類。比如priority_queue的聲明:

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

多觀察幾個容器的聲明,能發現預設的Compare比較類都是std::less,定義大概是這樣:

template<class T> struct less
{
    // 這裡其實是重載了()運算符,因此在使用的時候可以像函數一樣調用
    bool operator()(const T& lhs, const T& rhs) const
    {
        return lhs < rhs;
    }
};

標準庫中還有另一個比較類std::greater,定義如下:

template<class T> struct greater
{
    // 這裡其實是重載了()運算符,因此在使用的時候可以像函數一樣調用
    bool operator()(const T& lhs, const T& rhs) const
    {
        return lhs > rhs;
    }
};

數組排序的角度看,lhs就是前一個元素,rhs就是後一個元素:

  1. std::less中,lhs < rhs成立的時候返回true,期望程式把lhs放在rhs前面,因此是升序排序。

  2. std::greater中,lhs > rhs成立的時候才返回true,期望程式把rhs放在lhs前面,因此是降序排序。

很顯然,這裡和sort函數的預設比較函數一樣都是預設升序排序的。

因為重載了運算符(),我實際上可以把【比較類】的對象作為比較函數傳入sort方法:

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

int main()
{
    int test[10] = {4, 1, 3, 7, 5, 8, 2, 9, 6, 10};
    sort(test, test + 10, greater<int>()); // 註意這裡調用的是greater對象的()運算符重載方法
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        cout << test[i] << " ";
    // Output: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    return 0;
}

值得註意的是,這裡首先調用的是greater類的預設構造方法,返回一個對象並傳遞給sort函數。sort函數內部調用對象(a,b)時調用的是運算符()重載方法來進行比較。

模仿greaterless模板類的定義,我們也可以自己定義比較類:

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

struct Node
{
    int data;
};

struct MyGreater
{
    // a是序列中前一個元素,b則是後一個元素
    bool operator()(const Node &a, const Node &b) const
    {
        return b.data < a.data; // a<b時返回false,期待程式把b排在a前面
    }
};

int main()
{
    Node test[10] = {{4}, {1}, {3}, {7}, {5}, {8}, {2}, {9}, {6}, {10}};
    sort(test, test + 10, MyGreater());
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        cout << test[i].data << " ";
    // Output: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    return 0;
}

優先隊列的比較類

在這幾種STL容器中,優先隊列priority_queue的元素比較規則是略顯“另類”的:

  1. 預設情況下(std::less類),優先隊列中的元素是降序排列的,即大的元素在隊頭,是一個大根堆

  2. 如果使用std::greater類,則優先隊列中的元素是升序排列的,即小的元素在隊頭,是一個小根堆

這裡和之前的排序不同的地方就在於:比較方法形參的意義不同

std::greater舉例:

template<class T> struct greater
{
    // 這裡其實是重載了()運算符,因此在使用的時候可以像函數一樣調用
    bool operator()(const T& lhs, const T& rhs) const
    {
        return lhs > rhs;
    }
};
  • sort函數、mapset容器中,lhs代表序列中前一個元素rhs代表序列中後一個元素

  • 而在priority_queue中,lhs代表新插入的節點rhs代表這個節點的父節點

    lhs>rhs時就是期望父節點小於子節點,即構成小根堆,因此堆頂元素總是堆中最小的,所以從優先隊列中取出的元素也是從小到大的,即升序排列。

    往堆中插入新節點時是插入在最後一個葉子節點的位置的。

重載運算符

sort函數中可以預設排序函數。在創建容器對象時,我們也可以預設比較函數。

在預設比較函數的情況下,STL容器預設採用std::less模板類來進行比較:

  1. 預設升序排列。

  2. 對於優先隊列來說,出隊元素呈降序排列。

std::less類的重載方法中一樣也是調用了對象的<運算符進行比較,因此我們也可以重載<運算符來實現自定義的比較規則。

#include <iostream>
#include <algorithm>

using namespace std;

struct Node
{
    int data;
    // std::less中調用了這裡的<運算符重載方法
    bool operator<(const Node &b) const
    {
        return data > b.data; // a>b時返回true,期待b放在a前面
    }
};

int main()
{
    Node test[10] = {{4}, {1}, {3}, {7}, {5}, {8}, {2}, {9}, {6}, {10}};
    sort(test, test + 10);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        cout << test[i].data << " ";
    // Output: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
    return 0;
}

總結

  1. 把比較函數的形參(a,b)中的a看作序列中前一個元素b看作序列中後一個元素,方便理解。

  2. 無論是sort函數的比較函數cmp(a,b)還是比較類的重載方法operator()(a,b):

    • 返回true時,不會改變a和b的順序
    • 而返回false時,會改變ab的順序。

    比如在預設情況下,a在序列中的位置小於b時,滿足條件a<b,返回true,不會改變a和b的順序;而當a在序列中的位置大於b時,不滿足條件,會改變a和b的順序。藉此實現升序排列。

  3. 在預設比較函數/比較類的時候,可以活用待比較對象運算符重載方法。具體重載哪個運算符需要根據具體的實現來確定。

    比如容器預設採用比較類std::less,其內部調用待比較對象<運算符。

  4. 優先隊列容器priority_queue的比較元素的含義是不同的,重載方法operator()(a,b)中前一個元素a指的是新插入的元素,而後一個元素b指的是這個元素的父節點

    • 這裡仍然是比較方法返回true時不會改變元素順序。

    比如在預設情況下,新插入的元素a的值小於父節點b的值,滿足條件a<b,返回true,不會改變a和b的位置;而當新插入的元素a的值大於父節點b的值,不滿足條件,會改變a和b的位置。藉此維持大根堆的堆序性。

參考文章

https://blog.csdn.net/sandalphon4869/article/details/105419706


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