算法基础：堆【以大根堆为例】

二叉堆

二叉堆的逻辑结构就是一棵完全二叉树，所以也叫完全二叉堆

◼️ 鉴于完全二叉树的一些特性，二叉堆的底层(物理结构)一般用数组实现即可

◼️ 索引 i 的规律( n 是元素数量)

如果 i = 0 ，它是根节点

如果 i > 0 ，它的父节点的索引为 floor( (i -- 1) / 2 ) （向下取整）

如果 2i + 1 ≤ n -- 1，它的左子节点的索引为 2i + 1

如果 2i + 1 > n -- 1 ，它无左子节点

如果 2i + 2 ≤ n -- 1 ，它的右子节点的索引为 2i + 2

如果 2i + 2 > n -- 1 ，它无右子节点

大根堆的例子

public class HeapSort {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("大顶堆测试");
        int[] arr = {68, 72, 43, 50, 38, 10, 90, 65};

        MyHeapSort obj = new MyHeapSort();
        for (int i : arr) {
            obj.add(i);
        }

        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            arr[i] = obj.remove();
        }

        System.out.println("堆排序后：");
        for (int i : arr) {
            System.out.print(i + "  ");
        }
        // 90  72  68  65  50  43  38  10
        System.out.println();
        for (int i : arr) {  //堆空了，重新添加元素进去
            obj.add(i);
        }
        System.out.println("获取堆顶元素：" + obj.get());


        System.out.println("替换堆顶元素为13：" + obj.replace(13));
        System.out.println("替换堆顶元素为13后的堆顶元素：" + obj.get());
    }


    static class MyHeapSort {  //大根heap  由大到小的排序
        public int[] arr;
        public int size;
        public int defaultSize = 10;

        public MyHeapSort() {
            size = 0;
            arr = new int[defaultSize];
        }

        //扩容代码
        public void ensureCap(int cap) {
            int oldcap = arr.length;
            if (oldcap >= cap) return;
            //新容量为旧容量的1.5倍
            int newcap = oldcap + oldcap >> 1;
            int[] newarr = new int[newcap];
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                newarr[i] = arr[i];
            }
            arr = newarr;
        }

        public void add(int val) {
            ensureCap(size + 1);
            arr[size++] = val;
            shiftup(size - 1);
        }

        //上滤
        public void shiftup(int index) {
            int cur = arr[index];
            while (index > 0) {
                int pindex = (index - 1) / 2;
                int parent = arr[pindex];
                if (parent >= cur) break;
                arr[index] = parent;
                index = pindex;
            }
            arr[index] = cur;
        }

        //删除：二叉堆的删除是删除堆顶元素
        //思路：最后一个元素代替堆顶元素，删除最后一个元素，然后下窜
        public int remove() {
            int last = --size;
            int root = arr[0];
            arr[0] = arr[last];
            //arr[last] 不用管了，因为长度要减1，减1后，最后一个元素也不存在了
            shiftdown(0);
            return root;
        }

        public void shiftdown(int index) {
            int half = size >> 1;
            int root = arr[0];
            while (index < half) {
                //index:只有左子节点，或者左右子节点都有
                int pos = (index << 1) + 1;
                int child = arr[pos];
                int right = pos + 1;
                if (right < size && arr[right] > arr[pos]) {
                    pos = right;
                    child = arr[right];
                }

                if (root > child) break;
                arr[index] = child;
                index = pos;
            }
            arr[index] = root;
        }


        public int get() {  //获取堆顶元素
            if (size == 0) return Integer.MIN_VALUE;
            return arr[0];
        }

        //删除堆顶的元素的同时，插入一个新元素
        public int replace(int ele) { //替换堆顶元素
            int root = Integer.MIN_VALUE;
            if (size == 0) {
                arr[0] = ele;
                size++;
            } else {
                root = arr[0];
                arr[0] = ele;
                shiftdown(0);
            }

            return root;
        }
    }
}



/*
大顶堆测试
堆排序后：
90  72  68  65  50  43  38  10
获取堆顶元素：90
替换堆顶元素为13：90
替换堆顶元素为13后的堆顶元素：72
 */