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。