std::ranges::push_heap() 算法

自 C++20 起

简化

// (1)
constexpr I
    push_heap( I first, S last, Comp comp = {}, Proj proj = {} );

// (2)
constexpr ranges::borrowed_iterator_t<R>
    push_heap( R&& r, Comp comp = {}, Proj proj = {} );

参数类型是泛型的，并具有以下约束

• I - std::random_access_iterator
• S - std::sentinel_for<I>
• R - std::ranges::random_access_range
• Comp - （无）
• Proj - (无)

所有重载的 Proj 和 Comp 模板参数具有以下默认类型：std::identity, ranges::less。

此外，每个重载都有以下约束

• (1) - std::sortable<I, Comp, Proj>
• (2) - std::sortable<ranges::iterator_t<R>, Comp, Proj>

详细

// (1)
template<
  std::random_access_iterator I,
  std::sentinel_for<I> S,
  class Comp = ranges::less,
  class Proj = std::identity
>
  requires std::sortable<I, Comp, Proj>
constexpr I
    push_heap( I first, S last, Comp comp = {}, Proj proj = {} );

// (2)
template<
  ranges::random_access_range R,
  class Comp = ranges::less,
  class Proj = std::identity
>
  requires std::sortable<ranges::iterator_t<R>, Comp, Proj>
constexpr ranges::borrowed_iterator_t<R>
    push_heap( R&& r, Comp comp = {}, Proj proj = {} );

将位置 last - 1 处的元素插入到由范围 [first; last - 1) 定义的最大堆中。

• (1) 使用给定的二元比较函数 comp 和投影对象 proj 比较元素。

• (2) 与 (1) 相同，但使用 r 作为源范围，如同使用 ranges::begin(r) 作为 first 和 ranges::end(r) 作为 last。

本页描述的函数类实体是niebloids。

参数

first last	定义要推入的堆的元素范围。
r	定义要推入的堆的元素范围。
pred	应用于投影元素的谓词。
proj	要应用于元素的投影。

返回值

一个等于 last 的迭代器。

复杂度

给定 N 为 ranges::distance(first, last)

最多 log(N) 次比较和 2 * log(N) 次投影。

异常

(无)

可能的实现

push_heap(1) 和 push_heap(2)

struct push_heap_fn
{
    template<std::random_access_iterator I, std::sentinel_for<I> S,
             class Comp = ranges::less, class Proj = std::identity>
    requires std::sortable<I, Comp, Proj>
    constexpr I
        operator()(I first, S last, Comp comp = {}, Proj proj = {}) const
    {
        const auto n {ranges::distance(first, last)};
        const auto length {n};
        if (n > 1)
        {
            I last {first + n};
            n = (n - 2) / 2;
            I i {first + n};
            if (std::invoke(comp, std::invoke(proj, *i), std::invoke(proj, *--last)))
            {
                std::iter_value_t<I> v {ranges::iter_move(last)};
                do
                {
                    *last = ranges::iter_move(i);
                    last = i;
                    if (n == 0)
                        break;
                    n = (n - 1) / 2;
                    i = first + n;
                } while (std::invoke(comp, std::invoke(proj, *i), std::invoke(proj, v)));
                *last = std::move(v);
            }
        }
        return first + length;
    }

    template<ranges::random_access_range R, class Comp = ranges::less,
             class Proj = std::identity>
    requires std::sortable<ranges::iterator_t<R>, Comp, Proj>
    constexpr ranges::borrowed_iterator_t<R>
        operator()(R&& r, Comp comp = {}, Proj proj = {}) const
    {
        return (*this)(ranges::begin(r), ranges::end(r), std::move(comp), std::move(proj));
    }
};

inline constexpr push_heap_fn push_heap {};

备注

最大堆是元素范围 [f; l)，根据比较器 comp 和投影 proj 排列，具有以下属性：

• 给定 N 为 l - f，p = f[(i - 1) / 2]，和 q = f[i]，对于所有 0 < i < N，表达式 std::invoke(comp, std::invoke(proj, p), std::invoke(proj, q)) 求值为 false。
• 可以使用 ranges::push_heap 添加新元素，时间复杂度为 O(log(N))。
• 可以使用 ranges::pop_heap 移除第一个元素，时间复杂度为 O(log(N))。

示例

Main.cpp

#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <iostream>
#include <vector>

void out(const auto& what, int n = 1)
{
    while (n-- > 0)
        std::cout << what;
}

void print(auto rem, auto const& v)
{
    out(rem);
    for (auto e : v)
        out(e), out(' ');
    out('\n');
}

void draw_heap(auto const& v);

int main()
{
    std::vector<int> v {1, 6, 1, 8, 0, 3,};
    print("source vector v: ", v);

    std::ranges::make_heap(v);
    print("after make_heap: ", v);
    draw_heap(v);

    v.push_back(9);

    print("before push_heap: ", v);
    draw_heap(v);

    std::ranges::push_heap(v);
    print("after push_heap: ", v);
    draw_heap(v);
}

void draw_heap(auto const& v)
{
    auto bails = [](int n, int w)
    {
        auto b = [](int w) { out("┌"), out("─", w), out("┴"), out("─", w), out("┐"); };
        if (!(n /= 2))
            return;
        for (out(' ', w); n-- > 0; )
            b(w), out(' ', w + w + 1);
        out('\n');
    };
    auto data = [](int n, int w, auto& first, auto last)
    {
        for (out(' ', w); n-- > 0 && first != last; ++first)
            out(*first), out(' ', w + w + 1);
        out('\n');
    };
    auto tier = [&](int t, int m, auto& first, auto last)
    {
        const int n {1 << t};
        const int w {(1 << (m - t - 1)) - 1};
        bails(n, w), data(n, w, first, last);
    };
    const int m {static_cast<int>(std::ceil(std::log2(1 + v.size())))};
    auto first {v.cbegin()};
    for (int i {}; i != m; ++i)
        tier(i, m, first, v.cend());
}

可能的输出

source vector v: 1 6 1 8 0 3
after make_heap: 8 6 3 1 0 1
   8
 ┌─┴─┐
 6   3
┌┴┐ ┌┴┐
1 0 1
before push_heap: 8 6 3 1 0 1 9
   8
 ┌─┴─┐
 6   3
┌┴┐ ┌┴┐
1 0 1 9
after push_heap: 9 6 8 1 0 1 3
   9
 ┌─┴─┐
 6   8
┌┴┐ ┌┴┐
1 0 1 3