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stl原始碼剖析 詳細學習筆記 演算法(4)

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//lower_bound(要求有序)

    template<class ForwardIterator, class T>

    inline ForwardIterator lower_bound(ForwardIterator first,

                                       ForwardIterator last,

                                       const T& value)

    {

        return __lower_bound(first, last, value, distance_type(first),

                             iterator_category(first));

    }

//採用二分法來尋找第一個允許插入的位置

    template<class ForwardIterator, class T, class Distance>

    ForwardIterator __lower_bound(ForwardIterator first,

                                  ForwardIterator last,

                                  const T& value, Distance*

                                  forward_iterator_tag)

    {

        Distance len = 0;

//取到陣列大小len

        distance(first, last, len);

        Distance half;

        ForwardIterator middle;

        while (len > 0)

        {

//找到中間的位置,取

下界,然而其實是取half1,因為這裡是first+half

//雖然取的是下界 比如len=3 取到half1 first+1 就是第2

            half = len >> 1;

            middle = first;

            advance(middle, half);

            if(*middle < value)

            {

                first = middle;

                ++first;

//first一開始指向 half1的元素,所以右邊剩下的是 lenhalf1

                len = len - half - 1;

            }

            else

                len = half;

        }

        return first;

    }

//其實感覺沒有必要使用兩個版本,distance函式和advance函式底層就已經對迭代器進行分類運算了

//效率上應該不會差的。

    template<class RandomAccessIterator, class T, class Distance>

    RandomAccessIterator __lower_bound(RandomAccessIterator first,

                                       RandomAccessIterator last,

                                       const T& value, Distance*,

                                       random_access_iterator_tag)

    {

        Distance len = last - first;

        Distance half;

        RandomAccessIterator middle;

        while (len > 0)

        {

            half = len >> 1;

            middle = first + half;

            if(*middle < value)

            {

                first = middle + 1;

                len = len - half - 1;

            }

            else

                len = half;

        }

        return first;

    }

//upper_bound(要求有序)

    template<class ForwardIterator, class T>

    inline ForwardIterator upper_bound(ForwardIterator first,

                                       ForwardIterator last,

                                       const T& value)

    {

        return __upper_bound(first, last, value, distance_type(first),

                             iterator_category(first));

    }

    template<class ForwardIterator, class T, class Distance>

    ForwardIterator __upper_bound(ForwardIterator first,

                                  ForwardIterator last,

                                  const T& value, Distance*

                                  forward_iterator_tag)

    {

        Distance len = 0;

//取到陣列大小len

        distance(first, last, len);

        Distance half;

        ForwardIterator middle;

        while (len > 0)

        {

//lower_bound不一樣,當 value 等於 middle 時是向右走的。所以指向

//的位置的值不是value,而是第一個大於value的值

            half = len >> 1;

            middle = first;

            advance(middle, half);

            if(value < *middle)

                len = half;

            else

            {

                first = middle;

                ++first;

                len = len - half - 1;

            }

        }

        return first;

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T, class Distance>

    RandomAccessIterator __upper_bound(RandomAccessIterator first,

                                       RandomAccessIterator last,

                                       const T& value, Distance*,

                                       random_access_iterator_tag)

    {

        Distance len = last - first;

        Distance half;

        RandomAccessIterator middle;

        while (len > 0)

        {

            half = len >> 1;

            middle = first + half;

            if(value < *middle)

                len = half;

            else

            {

                first = middle+1;

                len = len -half -1;

            }

        }

        return first;

    }

//binary_search(要求有序)

    template<class ForwardIterator, class T>

    bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last,

                       const T& value)

    {

        ForwardIterator i =lower_bound(first, last, value);

        return i != last && !(value < *i);

//如果不存在,使用lower_bound獲得的*i > value;所以如果value < *i說明沒找到

    }

    template<class ForwardIterator, class T, class Compare>

    bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last,

                       const T& value, Compare comp)

    {

        ForwardIterator i = lower_bound(first, last, value, comp);

        return i != last && !comp(value, *i);

    }

//next_permutation

    /*

        下一個排列組合:

        abcacbbacbcacabcba。依次排序,前面的元素最遲改變,

把後面的都排序一遍,當前面的元素改變時,最後的元素要依次排序

        acbd b<d,所以固定前面元素,得到acdb,再下一個 d>b c < d所以可以讓c 變成d 得到adbc

    */

    template<class BidirectionalIterator>

    bool next_permutation(BidirectionalIterator first,

                          BidirectionalIterator last)

    {

        if(first == last)

            return false;

        BidirectionalIterator i = first;

        ++i;

        if(i == last)

            return false;

//區間沒有元素和只有一個元素都返回false

        i = last;

        -- i;

//i=最後一個元素

        for(;;)

        {

            //ii成了最後一個元素

            BidirectionalIterator ii = i;

//i成了最後一個元素的前驅

            --i;

//只要不是成倒序的就可以找到 *i < *ii,如果是倒序的說明沒有下一個排列組合了

            if(*i < *ii)

            {

                /* 

                    現在情況是 i d c... j 首先 d > c >... > j

                    i < d 。因為後面都是倒序的,我們要找到一個比i大一階的數填到i的位置。

                    所以while(!(*i < *--j)只要j小於等於i就左走,找到一個大於i的就可以把

這個數放入i的位置,把i放入j的位置。i放到j的位置。d開始到末尾的序列還是倒序的

                    所以要reverse( d c ... last)d就是ii在的位置

                */

                BidirectionalIterator j =last;

                while(!(*i < *--j));

                iter_swap(i, j);

                reverse(ii, last);

                return true;

            }

            if(i == first)

            {

//整個序列時倒序的,直接把它變成正序就好了。並要返回false

                reverse(first, last);

                return false;

            }

        }

    }

//prev_permutation

    template<class BidirectionalIterator>

    bool prev_permutation(BidirectionalIterator first,

                          BidirectionalIterator last)

    {

        if(first == last)

            return false;

        BidirectionalIterator i = first;

        ++i;

        if(i == last)

            return false;

        i = last;

        --i;

//next操作剛好相反,先找到一個數比他後驅大,再找到比他小一階的數交換,之後反轉

        for(;;)

        {

            BidirectionalIterator ii = i;

            --i;

            if(*ii < *i)

            {

                BidirectionalIterator j =last;

                while(!(*--j < *i));

                iter_swap(i, j);

                reverse(ii, last);

                return true;

            }

            if(i == first)

            {

                reverse(first, last);

                return false;

            }

        }

    }

//random_shuffle

//對區間[first,last)隨機產生一個排列

    template<class RandomAccessIterator>

    inline void random_shuffle(RandomAccessIterator first,

                               RandomAccessIterator last)

    {

        __random_shuffle(first, last, distance_type(first));

    }

    template<class RandomAccessIterator, class Distance>

    void __random_shuffle(RandomAccessIterator first,

                          RandomAccessIterator last,

                          Distance*)

    {

        if(first == last)

            return;

        for(RandomAccessIterator i =first + 1; i != last; ++i)

#ifdef __STL_NO_DRAND48

            iter_swap(i, first + Distance(rand()%((i - first) + 1)));

#else

        iter_swap(i, first + Distance(lrand48() % ((i - first) + 1)));

#endif

    }

    template<class RandomAccessIterator, class RandomNumberGenerator>

    void random_shuffle(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last,

                        RandomNumberGenerator& rand)

    {

        if(first == last)

            return;

        for(RandomAccessIterator i = first + 1; i != last; ++i)

            iter_swap(i, first + rand((i - first) + 1));

    }

//partial_sort

//基於堆來對前面部分資料進行排序

    template<class RandomAccessIterator>

    inline void partial_sort(RandomAccessIterator first,

                             RandomAccessIterator middle,

                             RandomAccessIterator last)

    {

        __partial_sort(first, middle, last, value_type(first));

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T>

    void __partial_sort(RandomAccessIterator first,

                        RandomAccessIterator middle,

                        RandomAccessIterator last,T*)

    {

        make_heap(first, middle);

        for(RandomAccessIterator i = middle; i < last; ++i)

        {

            if(*i < *first)

                __pop_heap(first, middle, i, T(*i), distance_type(first));

            sort_heap(first, middle);

        }

    }

//sort

//Insetion Sort

    template<class RandomAccessIterator>

    void __insertion_sort(RandomAccessIterator first,

                          RandomAccessIterator last)

    {

        if(first == last)

            return ;

        for(RandomAccessIterator i =first + 1; i != last; ++i)

            __linear_insert(first, i,value_type(first));

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T>

    inline void __linear_insert(RandomAccessIterator first,

                                RandomAccessIterator last, T*)

    {

        T value = *last;

//確保第一個元素是最小的

        if(value < *first)

        {

            copy_backward(first, last, last + 1);

            *first = value;

        }

        else

            __unguarded_linear_insert(last, value);

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T>

    void __unguarded_linear_insert(RandomAccessIterator last, T value)

    {

//插入排序,從尾部開始比較,原因是這樣正好可以邊比較邊把元素後移,

//不需要找到位置然後都後移一次。

        RandomAccessIterator next = last;

        --next;

//不用判斷越界,前面已經保證頭部是最小的了

        while (value < *next)

        {

            *last = *next;

            last = next;

            --next;

        }

        *last = value;

    }

//取中間值

template<class T>

    inline const T& __median(const T& a, const T& b, const T& c)

    {

        if(a < b)

            if(b < c)

                return b;   //a < b < c

            else if(a < c)

                return c;   //a < b, b >= c, a<c

            else

                return a;

        else if(a < c)      //c > a >=b

            return a;

elseif(b < c)      // a >=b, a <= c, b < c

            return c;

        else

            return b;

    }

//很正常的快排劃分步驟最後得到的結果是 first後面包括first的值是大於等於pivot值的

//first前面的值是小於pivot值的

    template<class RandomAccessIterator, class T>

    RandomAccessIterator __unguarded_partition(RandomAccessIterator first,

                                               RandomAccessIterator last,

                                               T pivot)

    {

        while (true)

        {

            while (*first < pivot)

                ++first;

            --last;

            while(pivot < *last)

                --last;

            if(!(first < last))

                return first;

            iter_swap(first, last);

            ++first;

        }

    }

//真正的sort

    template<class RandomAccessIterator>

    inline void sort(RandomAccessIterator first,

                     RandomAccessIterator last)

    {

        if(first != last)

        {

            __introsort_loop(first, last, value_type(first), __lg(last - first)*2);

            __final_insertion_sort(first, last);

        }

    }

template<class Size>

    inline Size __lg(Size n)

    {

        Size k;

        for(k = 0; n > 1; n >>= 1)

            ++k;

        return k;

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T, class Size>

    void __introsort_loop(RandomAccessIterator first,

                          RandomAccessIterator last, T*,

                          Size depth_limit)

    {

//__stl_treshold 是全域性常數 const int 16

        while (last - first > __stl_threshold)

        {

            if (depth_limit == 0)

            {

//如果呼叫深度到達限制就改呼叫堆排序

                partial_sort(first, last, last);

                return;

            }

            //深度減一

            --depth_limit;

//呼叫一次劃分返回關鍵元素的迭代器

            RandomAccessIterator cur = __unguarded_partition(

                first, last, T(__median(*first,

                                        *(first + (last - first) / 2),

                                        *(last - 1))));

            //對右邊進行迭代

            __introsort_loop(cur, last, value_type(first), depth_limit);

            last = cur;

        }

    }

    template<class RandomAccessIterator>

    void __final_insertion_sort(RandomAccessIterator first,

                                RandomAccessIterator last)

    {

        if (last - first > __stl_threshold)

        {

            __insertion_sort(first, first + __stl_threshold);

            __unguarded_insertion_sort(first + __stl_threshold, last);

        }

        else

            __insertion_sort(first, last);

    }

    template<class RandomAccessIterator>

    inline void  __unguarded_insertion_sort(RandomAccessIterator first,

                                             RandomAccessIterator last)

    {

        __unguarded_insertion_sort_aux(first, last, value_type(first));

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T>

    void __unguarded_insertion_sort_aux(RandomAccessIterator first,

                                        RandomAccessIterator last,

                                        T*)

    {

        for(RandomAccessIterator i = first; i != last; ++i)

            __unguarded_linear_insert(i, T(*i));

    }

    /*

        sort總結:先採用快排,有兩種情況產生:

        1>深度沒有超出極限,會誕生一個個區間,每個區間大小小於等於__stl_threshold(預設為16)

然後對前16個採用插入排序,需要判斷尾元素是否小於first元素。這次呼叫完就確保first是最小的

        然後再呼叫__unguarded_linear_sort就可以少一個判斷,也就可以從first + __stl_threshold

        的地方進行開始呼叫__unguared_linear_sort,插入位置會一直往左,有可能會越過first + __stl_threshold

        的位置。

        (ps:一開始我想不明白的一點是,如果先對前16個元素呼叫一次__unguarded_linear_insert,那如果當初劃分時

前面13(只要小於16就行)是一個區間,那不是會把後面的3個元素牽扯進來,如果後面的3個元素不是最小的三個

        那排序不就失敗了,我當時想的是final sort那呼叫__unguarded_linear_insert(first +__stl_threshold, last)

        會以first +__stl_thresholdfirst區間,對之後的所有元素進行排序,會造成一個問題,前16箇中有比後面

大的元素。後來才發現sgi的奇妙設計,那個while (value < *next),並沒有越界判斷,所以會一直往左搜尋。)

        2>迭代深度超出限制,會對之後迭代的區間進行堆排序,這時剩下的區間就是不確定的,有已經排序好的(深度超出限制)

也有沒排序的(快排迭代達到16個元素的),再次呼叫插入排序,對所有區間整理一遍。

    */

//equal_range(要求有序)

//返回由等於傳入值的元素組成的區間

    template<class ForwardIterator, class T>

    inline pair<ForwardIterator, ForwardIterator>

    equal_range(ForwardIterator first, ForwardIterator last,

                const T& value)

    {

        return __equal_range(first, last, value, distance_type(first),

                             iterator_category(first));

    }

    template<class RandomAccessIterator, class T, class Distance>

    pair<RandomAccessIterator, RandomAccessIterator>

    __equal_range(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last,

                  const T& value, Distance*, random_access_iterator_tag)

    {

        Distance len = last - first;

        Distance half;

        RandomAccessIterator middle, left, right;

        while (len > 0)

        {

            half = len >> 1;

            middle = first + half;

            if(*middle < value)

            {

                first = middle + 1;

                len = len - half -1;

            }

            else if(value < *middle)

                len = half;

            else

            {

                left = lower_bound(first, middle, value);

                right = upper_bound(++middle, first + len, value);

                return pair<RandomAccessIterator, RandomAccessIterator>(left, right);

            }

//因為lower_boundupper_bound都會呼叫同樣的步驟直到相等。

        }

        return pair<RandomAccessIterator, RandomAccessIterator>(first, first);

//在沒有value值的情況下,返回一個區間[first,first)也就是firstlast的情況,這樣可以表示

//沒有相應元素。

    }

    template<class ForwardIterator, class T, class Distance>

    pair<ForwardIterator, ForwardIterator>

    __equal_range(ForwardIterator first, ForwardIterator last,

                  const T& value, Distance*, forward_iterator_tag)

    {

        Distance len = last - first;

        Distance half;

        ForwardIterator middle, left, right;

        while (len > 0)

        {

            half = len >> 1;

            middle = first;

            advance(middle, half);

            if(*middle < value)