【数据结构与算法】(10)基础数据结构 之 堆 建堆及堆排序 详细代码示例讲解

目录

    • 2.9 堆
      • 建堆
      • 习题
        • E01. 堆排序
        • E02. 数组中第K大元素-Leetcode 215
        • E03. 数据流中第K大元素-Leetcode 703
        • E04. 数据流的中位数-Leetcode 295

在这里插入图片描述

2.9 堆

以大顶堆为例,相对于之前的优先级队列,增加了堆化等方法

public class MaxHeap {int[] array;int size;public MaxHeap(int capacity) {this.array = new int[capacity];}/*** 获取堆顶元素** @return 堆顶元素*/public int peek() {return array[0];}/*** 删除堆顶元素** @return 堆顶元素*/public int poll() {int top = array[0];swap(0, size - 1);size--;down(0);return top;}/*** 删除指定索引处元素** @param index 索引* @return 被删除元素*/public int poll(int index) {int deleted = array[index];up(Integer.MAX_VALUE, index);poll();return deleted;}/*** 替换堆顶元素** @param replaced 新元素*/public void replace(int replaced) {array[0] = replaced;down(0);}/*** 堆的尾部添加元素** @param offered 新元素* @return 是否添加成功*/public boolean offer(int offered) {if (size == array.length) {return false;}up(offered, size);size++;return true;}// 将 offered 元素上浮: 直至 offered 小于父元素或到堆顶private void up(int offered, int index) {int child = index;while (child > 0) {int parent = (child - 1) / 2;if (offered > array[parent]) {array[child] = array[parent];} else {break;}child = parent;}array[child] = offered;}public MaxHeap(int[] array) {this.array = array;this.size = array.length;heapify();}// 建堆private void heapify() {// 如何找到最后这个非叶子节点  size / 2 - 1for (int i = size / 2 - 1; i >= 0; i--) {down(i);}}// 将 parent 索引处的元素下潜: 与两个孩子较大者交换, 直至没孩子或孩子没它大private void down(int parent) {int left = parent * 2 + 1;int right = left + 1;int max = parent;if (left < size && array[left] > array[max]) {max = left;}if (right < size && array[right] > array[max]) {max = right;}if (max != parent) { // 找到了更大的孩子swap(max, parent);down(max);}}// 交换两个索引处的元素private void swap(int i, int j) {int t = array[i];array[i] = array[j];array[j] = t;}public static void main(String[] args) {int[] array = {2, 3, 1, 7, 6, 4, 5};MaxHeap heap = new MaxHeap(array);System.out.println(Arrays.toString(heap.array));while (heap.size > 1) {heap.swap(0, heap.size - 1);heap.size--;heap.down(0);}System.out.println(Arrays.toString(heap.array));}
}

建堆

Floyd 建堆算法作者(也是之前龟兔赛跑判环作者):

在这里插入图片描述

  1. 找到最后一个非叶子节点
  2. 从后向前,对每个节点执行下潜

一些规律

  • 一棵满二叉树节点个数为 2 h − 1 2^h-1 2h1,如下例中高度 h = 3 h=3 h=3 节点数是 2 3 − 1 = 7 2^3-1=7 231=7
  • 非叶子节点范围为 [ 0 , s i z e / 2 − 1 ] [0, size/2-1] [0,size/21]

算法时间复杂度分析

在这里插入图片描述

下面看交换次数的推导:设节点高度为 3

本层节点数高度下潜最多交换次数(高度-1)
4567 这层410
23这层221
1这层132

每一层的交换次数为: 节点个数 ∗ 此节点交换次数 节点个数*此节点交换次数 节点个数此节点交换次数,总的交换次数为
$$
\begin{aligned}
& 4 * 0 + 2 * 1 + 1 * 2 \

& \frac{8}{2}*0 + \frac{8}{4}*1 + \frac{8}{8}*2 \

& \frac{8}{2^1}*0 + \frac{8}{2^2}*1 + \frac{8}{2^3}*2\

\end{aligned}
即 即
\sum_{i=1}{h}(\frac{2h}{2^i}*(i-1))
$$
在 https://www.wolframalpha.com/ 输入

Sum[\(40)Divide[Power[2,x],Power[2,i]]*\(40)i-1\(41)\(41),{i,1,x}]

推导出
2 h − h − 1 2^h -h -1 2hh1
其中 2 h ≈ n 2^h \approx n 2hn h ≈ log ⁡ 2 n h \approx \log_2{n} hlog2n,因此有时间复杂度 O ( n ) O(n) O(n)

习题

E01. 堆排序

算法描述

  1. heapify 建立大顶堆
  2. 将堆顶与堆底交换(最大元素被交换到堆底),缩小并下潜调整堆
  3. 重复第二步直至堆里剩一个元素

可以使用之前课堂例题的大顶堆来实现

int[] array = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};
MaxHeap maxHeap = new MaxHeap(array);
System.out.println(Arrays.toString(maxHeap.array));while (maxHeap.size > 1) {maxHeap.swap(0, maxHeap.size - 1);maxHeap.size--;maxHeap.down(0);
}
System.out.println(Arrays.toString(maxHeap.array));
E02. 数组中第K大元素-Leetcode 215

小顶堆(可删去用不到代码)

class MinHeap {int[] array;int size;public MinHeap(int capacity) {array = new int[capacity];}private void heapify() {for (int i = (size >> 1) - 1; i >= 0; i--) {down(i);}}public int poll() {swap(0, size - 1);size--;down(0);return array[size];}public int poll(int index) {swap(index, size - 1);size--;down(index);return array[size];}public int peek() {return array[0];}public boolean offer(int offered) {if (size == array.length) {return false;}up(offered);size++;return true;}public void replace(int replaced) {array[0] = replaced;down(0);}private void up(int offered) {int child = size;while (child > 0) {int parent = (child - 1) >> 1;if (offered < array[parent]) {array[child] = array[parent];} else {break;}child = parent;}array[child] = offered;}private void down(int parent) {int left = (parent << 1) + 1;int right = left + 1;int min = parent;if (left < size && array[left] < array[min]) {min = left;}if (right < size && array[right] < array[min]) {min = right;}if (min != parent) {swap(min, parent);down(min);}}// 交换两个索引处的元素private void swap(int i, int j) {int t = array[i];array[i] = array[j];array[j] = t;}
}

题解

public int findKthLargest(int[] numbers, int k) {MinHeap heap = new MinHeap(k);for (int i = 0; i < k; i++) {heap.offer(numbers[i]);}for (int i = k; i < numbers.length; i++) {if(numbers[i] > heap.peek()){heap.replace(numbers[i]);}}return heap.peek();
}

求数组中的第 K 大元素,使用堆并不是最佳选择,可以采用快速选择算法

E03. 数据流中第K大元素-Leetcode 703

上题的小顶堆加一个方法

class MinHeap {// ...public boolean isFull() {return size == array.length;}
}

题解

class KthLargest {private MinHeap heap;public KthLargest(int k, int[] nums) {heap = new MinHeap(k);for(int i = 0; i < nums.length; i++) {add(nums[i]);}}public int add(int val) {if(!heap.isFull()){heap.offer(val);} else if(val > heap.peek()){heap.replace(val);}return heap.peek();}}

求数据流中的第 K 大元素,使用堆最合适不过

E04. 数据流的中位数-Leetcode 295

可以扩容的 heap, max 用于指定是大顶堆还是小顶堆

public class Heap {int[] array;int size;boolean max;public int size() {return size;}public Heap(int capacity, boolean max) {this.array = new int[capacity];this.max = max;}/*** 获取堆顶元素** @return 堆顶元素*/public int peek() {return array[0];}/*** 删除堆顶元素** @return 堆顶元素*/public int poll() {int top = array[0];swap(0, size - 1);size--;down(0);return top;}/*** 删除指定索引处元素** @param index 索引* @return 被删除元素*/public int poll(int index) {int deleted = array[index];swap(index, size - 1);size--;down(index);return deleted;}/*** 替换堆顶元素** @param replaced 新元素*/public void replace(int replaced) {array[0] = replaced;down(0);}/*** 堆的尾部添加元素** @param offered 新元素*/public void offer(int offered) {if (size == array.length) {grow();}up(offered);size++;}private void grow() {int capacity = size + (size >> 1);int[] newArray = new int[capacity];System.arraycopy(array, 0,newArray, 0, size);array = newArray;}// 将 offered 元素上浮: 直至 offered 小于父元素或到堆顶private void up(int offered) {int child = size;while (child > 0) {int parent = (child - 1) / 2;boolean cmp = max ? offered > array[parent] : offered < array[parent];if (cmp) {array[child] = array[parent];} else {break;}child = parent;}array[child] = offered;}public Heap(int[] array, boolean max) {this.array = array;this.size = array.length;this.max = max;heapify();}// 建堆private void heapify() {// 如何找到最后这个非叶子节点  size / 2 - 1for (int i = size / 2 - 1; i >= 0; i--) {down(i);}}// 将 parent 索引处的元素下潜: 与两个孩子较大者交换, 直至没孩子或孩子没它大private void down(int parent) {int left = parent * 2 + 1;int right = left + 1;int min = parent;if (left < size && (max ? array[left] > array[min] : array[left] < array[min])) {min = left;}if (right < size && (max ? array[right] > array[min] : array[right] < array[min])) {min = right;}if (min != parent) { // 找到了更大的孩子swap(min, parent);down(min);}}// 交换两个索引处的元素private void swap(int i, int j) {int t = array[i];array[i] = array[j];array[j] = t;}
}

题解

private Heap left = new Heap(10, false);
private Heap right = new Heap(10, true);/**为了保证两边数据量的平衡<ul><li>两边数据一样时,加入左边</li><li>两边数据不一样时,加入右边</li></ul>但是, 随便一个数能直接加入吗?<ul><li>加入左边前, 应该挑右边最小的加入</li><li>加入右边前, 应该挑左边最大的加入</li></ul>*/
public void addNum(int num) {if (left.size() == right.size()) {right.offer(num);left.offer(right.poll());} else {left.offer(num);right.offer(left.poll());}
}/*** <ul>*     <li>两边数据一致, 左右各取堆顶元素求平均</li>*     <li>左边多一个, 取左边元素</li>* </ul>*/
public double findMedian() {if (left.size() == right.size()) {return (left.peek() + right.peek()) / 2.0;} else {return left.peek();}
}

本题还可以使用平衡二叉搜索树求解,不过代码比两个堆复杂

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