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C++ nth_element()用法详解

前面章节中,已经给大家介绍了 sort()、stable_sort()、partial_sort() 这些函数的功能和用法,本节再介绍一个排序函数,即 nth_element() 函数。

不过,在系统讲解 nth_element() 函数之前,我们先形成一个共识,即在有序序列中,我们可以称第 n 个元素为整个序列中“第 n 大”的元素。比如,下面是一个升序序列:

2 4 6 8 10

在这个序列中,我们可以称元素 6 为整个序列中“第 3 小”的元素,并位于第 3 的位置处;同样,元素 8 为整个序列中“第 4 小”的元素,并位于第 4 的位置处。

简单的理解 nth_element() 函数的功能,当采用默认的升序排序规则(std::less<T>)时,该函数可以从某个序列中找到第 n 小的元素 K,并将 K 移动到序列中第 n 的位置处。不仅如此,整个序列经过 nth_element() 函数处理后,所有位于 K 之前的元素都比 K 小,所有位于 K 之后的元素都比 K 大。

当然,我们也可以将 nth_element() 函数的排序规则自定义为降序排序,此时该函数会找到第 n 大的元素 K 并将其移动到第 n 的位置处,同时所有位于 K 之前的元素都比 K 大,所有位于 K 之后的元素都比 K 小。

以下面这个序列为例:

3 4 1 2 5

假设按照升序排序,并通过 nth_element() 函数查找此序列中第 3 小的元素,则最终得到的序列可能为:

2 1 3 4 5

显然,nth_element() 函数找到了第 3 小的元素 3 并将其位于第 3 的位置,同时元素 3 之前的所有元素都比该元素小,元素 3 之后的所有元素都比该元素大。

要知道,nth_element() 本质也是一个函数模板,定义在<algorithm>头文件中。因此,如果程序中想使用该函数,就需要提前引入这个头文件:
#include <algorithm>

nth_element() 函数有以下 2 种语法格式:
//排序规则采用默认的升序排序
void nth_element (RandomAccessIterator first,
                  RandomAccessIterator nth,
                  RandomAccessIterator last);
//排序规则为自定义的 comp 排序规则
void nth_element (RandomAccessIterator first,
                  RandomAccessIterator nth,
                  RandomAccessIterator last,
                  Compare comp);
其中,各个参数的含义如下:
  • first 和 last:都是随机访问迭代器,[first, last) 用于指定该函数的作用范围(即要处理哪些数据);
  • nth:也是随机访问迭代器,其功能是令函数查找“第 nth 大”的元素,并将其移动到 nth 指向的位置;
  • comp:用于自定义排序规则。

注意,鉴于 nth_element() 函数中各个参数的类型,其只能对普通数组或者部分容器进行排序。换句话说,只有普通数组和符合以下全部条件的容器,才能使用使用 nth_element() 函数:
  1. 容器支持的迭代器类型必须为随机访问迭代器。这意味着,nth_element() 函数只适用于 array、vector、deque 这 3 个容器。
  2. 当选用默认的升序排序规则时,容器中存储的元素类型必须支持 <小于运算符;同样,如果选用标准库提供的其它排序规则,元素类型也必须支持该规则底层实现所用的比较运算符;
  3. nth_element() 函数在实现过程中,需要交换某些元素的存储位置。因此,如果容器中存储的是自定义的类对象,则该类的内部必须提供移动构造函数和移动赋值运算符。

举个例子:
#include <iostream>
#include <algorithm>    // std::nth_element
#include <vector>       // std::vector
using namespace std;
//以普通函数的方式自定义排序规则
bool mycomp1(int i, int j) {
    return (i > j);
}

//以函数对象的方式自定义排序规则
class mycomp2 {
public:
    bool operator() (int i, int j) {
        return (i > j);
    }
};
int main() {
    std::vector<int> myvector{3,1,2,5,4};
    //默认的升序排序作为排序规则
    std::nth_element(myvector.begin(), myvector.begin()+2, myvector.end());
    cout << "第一次nth_element排序:\n";
    for (std::vector<int>::iterator it = myvector.begin(); it != myvector.end(); ++it) {
        std::cout << *it << ' ';
    }
    //自定义的 mycomp2() 或者 mycomp1 降序排序作为排序规则
    std::nth_element(myvector.begin(), myvector.begin() + 3, myvector.end(),mycomp1);
    cout << "\n第二次nth_element排序:\n";
    for (std::vector<int>::iterator it = myvector.begin(); it != myvector.end(); ++it) {
        std::cout << *it << ' ';
    }
    return 0;
}
程序执行结果可能为(不唯一):

第一次nth_element排序:
1 2 3 4 5
第二次nth_element排序:
5 4 3 2 1

上面程序中,共调用了 2 次 nth_elelment() 函数:
  • 第 20 行:nth_element() 函数采用的是默认的升序排序,nth 参数设置为 myvector.begin()+2,即指向的是 myvector 容器中第 3 个元素所在的位置。因此,nth_element() 函数会查找“第 3 小”的元素 3,并将其移动到 nth 指向的位置,同时使 nth 之前的所有元素都比 3 小,使 nth 之后的所有元素都比 3 大。
  • 第 26 行:nth_element() 函数采用的是默认的降序排序,nth 参数设置为 myvector.begin()+3,即指向的是 myvector 容器中第 4 个元素所在的位置。因此,nth_element() 函数会查找“第 4 大”的元素 2,并将其移动到 nth 指向的位置,同时使 nth 之前的所有元素都比 2 大,使 nth 之后的所有元素都比 2 小。

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