10.数据结构-堆

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 - 1
        for (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）：

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，如下例中高度 h=3 节点数是 2^3-1=7
• 非叶子节点范围为 [0, size/2-1]

算法时间复杂度分析

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	4	1	0
23这层	2	2	1
1这层	1	3	2

每一层的交换次数为：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

\sum_{i=1}^{h}(\frac{2^h}{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

其中 2^h \approx n，h \approx \log_2{n}，因此有时间复杂度 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 - 1
        for (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