【恋上数据结构】二叉堆学习笔记

程序员沉梦听雨2023-12-05 19:16

二叉堆

需求分析

Top K 问题

什么是 Top K 问题？

从海量数据中找出前 K 个数据。

  • 比如：从 100 万个整数中找出最大的 100 个整数
  • Top K 问题的解法之一：可以用数据结构 "堆" 来解决。

堆

堆是一种【完全二叉树】，可以分为【最大堆】和【最小堆】。只要是堆，里面的元素就会具备可比较性。

  • 在最大堆中，父节点的值大于等于(>=)其子节点的值；
  • 在最小堆中，父节点的值小于等于(<=)其子节点的值。

堆的基本接口设计

java 复制代码 
public interface Heap<E> {
	int size();	// 元素的数量
	boolean isEmpty();	// 是否为空
	void clear();	// 清空
	void add(E element);	 // 添加元素
	E get();	// 获得堆顶元素
	E remove(); // 删除堆顶元素
	E replace(E element); // 删除堆顶元素的同时插入一个新元素
}

二叉堆(Binary Heap)

着重注意索引的规律

floor（向下取整）：只取前面的整数。

最大堆

添加

思路

一步步往上与父节点比较，并进行位置交换。

交换位置的优化

一般交换位置需要 3 行代码，可以进一步优化

  • 将新添加节点备份，确定最终位置才摆放上去
  • 循环比较，交换父节点位置 -> 循环比较，单纯父节点下移，最后确定位置了直接覆盖
  • 省去了每次都交换位置并且覆盖的操作
实现
java 复制代码 
	@Override
	public void add(E element) {
		elementNotNullCheck(element);
		ensureCapacity(size + 1);
		elements[size++] = element;
		siftUp(size - 1);
	}

	private void elementNotNullCheck(E element) {
		if (element == null) {
			throw new IllegalArgumentException("element must not be null");
		}
	}

	private void ensureCapacity(int capacity) {
		int oldCapacity = elements.length;
		if (oldCapacity >= capacity) {
			return;
		}
		
		// 新容量为旧容量的1.5倍
		int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
		E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			newElements[i] = elements[i];
		}
		elements = newElements;
	}

	/**
	 * 让index位置的元素上滤
	 * @param index
	 */
	private void siftUp(int index) {
//		E e = elements[index];
//		while (index > 0) {
//			int pindex = (index - 1) >> 1;
//			E p = elements[pindex];
//			if (compare(e, p) <= 0) return;
//			
//			// 交换index、pindex位置的内容
//			E tmp = elements[index];
//			elements[index] = elements[pindex];
//			elements[pindex] = tmp;
//			
//			// 重新赋值index
//			index = pindex;
//		}
		E element = elements[index];
		while (index > 0) {
			int parentIndex = (index - 1) >> 1;
			E parent = elements[parentIndex];
			if (compare(element, parent) <= 0) {
				break;
			}
			
			// 将父元素存储在index位置
			elements[index] = parent;
			
			// 重新赋值index
			index = parentIndex;
		}
		elements[index] = element;
	}

删除

思路

一般来说，如果我们要删除某个元素的话，我们通常会拿到最后一个元素先覆盖它的位置，然后再把最后一个元素删掉，相当于同学们直接将 43 的值覆盖掉 0 这个位置的值，要再把这个值清空。

为什么？

因为这个操作是 O(1) 级别的，删除最后一个元素。

具体流程如下图所示：

流程图解
实现
java 复制代码 
	@Override
	public E remove() {
		emptyCheck();
		
		int lastIndex = --size;
		E root = elements[0];
		elements[0] = elements[lastIndex];
		elements[lastIndex] = null;
		
		siftDown(0);
		return root;
	}

	/**
	 * 让index位置的元素下滤
	 * @param index
	 */
	private void siftDown(int index) {
		E element = elements[index];
		int half = size >> 1;
		// 第一个叶子节点的索引 == 非叶子节点的数量
		// index < 第一个叶子节点的索引
		// 必须保证index位置是非叶子节点
		while (index < half) { 
			// index的节点有2种情况
			// 1.只有左子节点
			// 2.同时有左右子节点
			
			// 默认为左子节点跟它进行比较
			int childIndex = (index << 1) + 1;
			E child = elements[childIndex];
			
			// 右子节点
			int rightIndex = childIndex + 1;
			
			// 选出左右子节点最大的那个
			if (rightIndex < size && compare(elements[rightIndex], child) > 0) {
				child = elements[childIndex = rightIndex];
			}
			
			if (compare(element, child) >= 0) {
				break;
			}

			// 将子节点存放到index位置
			elements[index] = child;
			// 重新设置index
			index = childIndex;
		}
		elements[index] = element;
	}

replace

接口：删除堆顶元素的同时插入一个新元素。

java 复制代码 
	@Override
	public E replace(E element) {
		elementNotNullCheck(element);
		
		E root = null;
		if (size == 0) {
			elements[0] = element;
			size++;
		} else {
			root = elements[0];
			elements[0] = element;
			siftDown(0);
		}
		return root;
	}

批量建堆

批量建堆，有 2 种做法

  1. 自上而下的上滤 -- 本质是添加
  2. 自下而上的下滤 -- 本质是删除

注意：【自上而下的下 滤】和【自下而上的上滤】不可以批量建堆，因为执行起来对整体来说没有什么贡献，依然还是乱的。

自上而下的上滤
自下而上的下滤
效率对比
  • 如下图所示，显然是【自下而上的下滤】效率更高。
  • 可把图中蓝色部分看作是节点数量，箭头直线看作是工作量。
  • 最下层的节点最多，这一部分在【自下而上的下滤】中的工作量较小。
复杂度计算

深度之和 vs 高度之和

公式推导

实现

1、修改构造函数

java 复制代码 
	public BinaryHeap(E[] elements, Comparator<E> comparator)  {
		super(comparator);
		
		if (elements == null || elements.length == 0) {
			this.elements = (E[]) new Object[DEFAULT_CAPACITY];
		} else {
			size = elements.length;
       // this.elements = elements // 不能这么写，因为不安全
			int capacity = Math.max(elements.length, DEFAULT_CAPACITY);
			this.elements = (E[]) new Object[capacity];
			for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
				this.elements[i] = elements[i];
			}
      // 批量建堆
			heapify();
		}
	}

解释：

this.elements = elements 会导致外部传进来的数组和堆内的数组挂钩，如果后续修改了外包数组的元素值，会影响批量建堆的输出。

2、批量建堆方法编写

java 复制代码 
	/**
	 * 批量建堆
	 */
	private void heapify() {
		// 自上而下的上滤
//		for (int i = 1; i < size; i++) {
//			siftUp(i);
//		}
		
		// 自下而上的下滤
		for (int i = (size >> 1) - 1; i >= 0; i--) {
			siftDown(i);
		}
	}

完整代码

java 复制代码 
/**
 * 二叉堆（最大堆）
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
public class BinaryHeap<E> extends AbstractHeap<E> implements BinaryTreeInfo {
	private E[] elements;
	private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
	
	public BinaryHeap(E[] elements, Comparator<E> comparator)  {
		super(comparator);
		
		if (elements == null || elements.length == 0) {
			this.elements = (E[]) new Object[DEFAULT_CAPACITY];
		} else {
			size = elements.length;
			int capacity = Math.max(elements.length, DEFAULT_CAPACITY);
			this.elements = (E[]) new Object[capacity];
			for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
				this.elements[i] = elements[i];
			}
			heapify();
		}
	}
	
	public BinaryHeap(E[] elements)  {
		this(elements, null);
	}
	
	public BinaryHeap(Comparator<E> comparator) {
		this(null, comparator);
	}
	
	public BinaryHeap() {
		this(null, null);
	}

	@Override
	public void clear() {
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			elements[i] = null;
		}
		size = 0;
	}

	@Override
	public void add(E element) {
		elementNotNullCheck(element);
		ensureCapacity(size + 1);
		elements[size++] = element;
		siftUp(size - 1);
	}

	@Override
	public E get() {
		emptyCheck();
		return elements[0];
	}

	@Override
	public E remove() {
		emptyCheck();
		
		int lastIndex = --size;
		E root = elements[0];
		elements[0] = elements[lastIndex];
		elements[lastIndex] = null;
		
		siftDown(0);
		return root;
	}

	@Override
	public E replace(E element) {
		elementNotNullCheck(element);
		
		E root = null;
		if (size == 0) {
			elements[0] = element;
			size++;
		} else {
			root = elements[0];
			elements[0] = element;
			siftDown(0);
		}
		return root;
	}
	
	/**
	 * 批量建堆
	 */
	private void heapify() {
		// 自上而下的上滤
//		for (int i = 1; i < size; i++) {
//			siftUp(i);
//		}
		
		// 自下而上的下滤
		for (int i = (size >> 1) - 1; i >= 0; i--) {
			siftDown(i);
		}
	}
	
	/**
	 * 让index位置的元素下滤
	 * @param index
	 */
	private void siftDown(int index) {
		E element = elements[index];
		int half = size >> 1;
		// 第一个叶子节点的索引 == 非叶子节点的数量
		// index < 第一个叶子节点的索引
		// 必须保证index位置是非叶子节点
		while (index < half) { 
			// index的节点有2种情况
			// 1.只有左子节点
			// 2.同时有左右子节点
			
			// 默认为左子节点跟它进行比较
			int childIndex = (index << 1) + 1;
			E child = elements[childIndex];
			
			// 右子节点
			int rightIndex = childIndex + 1;
			
			// 选出左右子节点最大的那个
			if (rightIndex < size && compare(elements[rightIndex], child) > 0) {
				child = elements[childIndex = rightIndex];
			}
			
			if (compare(element, child) >= 0) {
				break;
			}

			// 将子节点存放到index位置
			elements[index] = child;
			// 重新设置index
			index = childIndex;
		}
		elements[index] = element;
	}
	
	/**
	 * 让index位置的元素上滤
	 * @param index
	 */
	private void siftUp(int index) {
//		E e = elements[index];
//		while (index > 0) {
//			int pindex = (index - 1) >> 1;
//			E p = elements[pindex];
//			if (compare(e, p) <= 0) return;
//			
//			// 交换index、pindex位置的内容
//			E tmp = elements[index];
//			elements[index] = elements[pindex];
//			elements[pindex] = tmp;
//			
//			// 重新赋值index
//			index = pindex;
//		}
		E element = elements[index];
		while (index > 0) {
			int parentIndex = (index - 1) >> 1;
			E parent = elements[parentIndex];
			if (compare(element, parent) <= 0) {
				break;
			}
			
			// 将父元素存储在index位置
			elements[index] = parent;
			
			// 重新赋值index
			index = parentIndex;
		}
		elements[index] = element;
	}
	
	private void ensureCapacity(int capacity) {
		int oldCapacity = elements.length;
		if (oldCapacity >= capacity) {
			return;
		}
		
		// 新容量为旧容量的1.5倍
		int newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1);
		E[] newElements = (E[]) new Object[newCapacity];
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			newElements[i] = elements[i];
		}
		elements = newElements;
	}
	
	private void emptyCheck() {
		if (size == 0) {
			throw new IndexOutOfBoundsException("Heap is empty");
		}
	}
	
	private void elementNotNullCheck(E element) {
		if (element == null) {
			throw new IllegalArgumentException("element must not be null");
		}
	}

	@Override
	public Object root() {
		return 0;
	}

	@Override
	public Object left(Object node) {
		int index = ((int)node << 1) + 1;
		return index >= size ? null : index;
	}

	@Override
	public Object right(Object node) {
		int index = ((int)node << 1) + 2;
		return index >= size ? null : index;
	}

	@Override
	public Object string(Object node) {
		return elements[(int)node];
	}
}

最小堆

同样使用最大堆的代码，只需要设置一个倒序比较器即可，将小的数认为比较大放在数组前面。

代码如下：

java 复制代码 
	static void test3() {
		Integer[] data = {88, 44, 53, 41, 16, 6, 70, 18, 85, 98, 81, 23, 36, 43, 37};
		BinaryHeap<Integer> heap = new BinaryHeap<>(data, new Comparator<Integer>() {
			@Override
			public int compare(Integer o1, Integer o2) {
        // 将原本【最大堆】中较小的值放前面，就实现了【最小堆】
				return o2 - o1;
			}
		});
		BinaryTrees.println(heap);
	}

	public static void main(String[] args) {
		test3();
	}

比较器解析

无论是 o1 - o2 还是 o2 - o1

  1. 只要返回正整数 ，就表示 o1 应该在 o2 的右边。
  2. 而返回负整数 则表示 o1 应该在 o2 的左边。

示例说明：

1、向数组中加入 20，Integer[] data = {10, 20}

o1 - o2 = -10 -- 10, 20

o2 - o1 = 10 -- 20, 10

2、再向数组中加入 30，Integer[] data ={10, 20, 30}

o1 - o2：

  • 10 - 30 = -20 -- 10, 30, 20
  • 20 - 30 = -10 -- 【10, 20, 30】

o2 - o1：

  • 30 - 10 = 20 -- 30, 10
  • 20 - 10 = 10 -- 【30, 20, 10】

总结

无论是升序还是降序，只要返回正整数，就表示第一个元素应该在第二个元素的右边。

Top K 问题

问题分析

题目：从 n 个整数中，找出最大的前 k 个数 (k 远远小于 n)

  1. 如果使用【排序算法】进行全排序，需要 O(nlogn) 的时间复杂度。

  2. 如果使用【二叉堆】来解决，可以使用 O(nlogk) 的时间复杂度来解决

    • 新建一个小顶堆
    • 扫描 n 个整数

具体细节：

  1. 先将遍历到的前 k 个数放入堆中；
  2. 从第 k + 1 个数开始，如果大于堆顶元素 ，就使用 replace 操作(删除堆顶元素，将第 k + 1 个数添加到堆中)

代码实现

java 复制代码 
	static void test4() {
		// 新建一个小顶堆
		BinaryHeap<Integer> heap = new BinaryHeap<>(new Comparator<Integer>() {
			@Override
			public int compare(Integer o1, Integer o2) {
				return o2 - o1;
			}
		});
		
		// 找出最大的前k个数
		int k = 3;
		Integer[] data = {51, 30, 39, 92, 74, 25, 16, 93, 
				91, 19, 54, 47, 73, 62, 76, 63, 35, 18, 
				90, 6, 65, 49, 3, 26, 61, 21, 48};
		for (int i = 0; i < data.length; i++) {
			if (heap.size() < k) { // 前k个数添加到小顶堆
				heap.add(data[i]); // logk
			} else if (data[i] > heap.get()) { // 如果是第k + 1个数，并且大于堆顶元素
				heap.replace(data[i]); // logk
			}
		}
		// O(nlogk)
		BinaryTrees.println(heap);
	}

	public static void main(String[] args) {
		test4();
	}

内部方法分析

1、heap.get() 获取堆顶元素

java 复制代码 
	@Override
	public E get() {
		emptyCheck();
		return elements[0];
	}

2、heap.replace(data[i]);

删除堆顶元素的同时插入一个新元素，即将大于堆顶的数组元素加进去。

3、这是个最小堆

堆顶元素一直是最小的。

问题 2

如果是找出最小的前 k 个数呢？

  1. 用大顶堆
  2. 如果小于 堆顶元素，就使用 replace 操作

堆排序

概念

堆排序（Heap Sort）是一种基于堆数据结构的排序算法，它利用了堆的特性来进行排序。

堆排序的基本思想如下：

  1. 构建最大堆（或最小堆）：将待排序的数组构建成一个最大堆（或最小堆）。
  2. 交换堆顶元素：将堆顶元素与当前未排序部分的最后一个元素交换位置。
  3. 调整堆：对交换后的堆进行调整，使其满足最大堆（或最小堆）的性质。
  4. 重复步骤 2 和 3，直到整个数组排序完成。

代码示例

以下是两个简单的堆排序示例代码：

第一种 -- 降序
java 复制代码 
public class Main2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arr = { 12, 11, 13, 5, 6, 7 };
        BinaryHeap<Integer> heap = new BinaryHeap<>(arr);
        heapSort(heap);
    }

    public static <E> void heapSort(BinaryHeap<E> heap) {
        int size = heap.size();
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            // 删除后会再调整堆结构
            E max = heap.remove();
            System.out.print(max + " ");
        }
    }
}

输出结果为：

bash 复制代码 
13 12 11 7 6 5
第二种 -- 升序
java 复制代码 
public class HeapSort {
    public static void heapSort(Integer[] arr) {
        int n = arr.length;

        // 构建最大堆
        for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
            heapify(arr, n, i);
        }

        // 交换堆顶元素和未排序部分的最后一个元素，并调整堆
        for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
            // 将堆顶元素与当前未排序部分的最后一个元素交换位置
            int temp = arr[0];
            arr[0] = arr[i];
            arr[i] = temp;

            // 调整堆
            heapify(arr, i, 0);
        }
    }

    // 调整堆，使其满足最大堆的性质
    public static void heapify(Integer[] arr, int n, int i) {
        int largest = i; // 初始化堆顶元素为最大值
        int left = 2 * i + 1; // 左子节点的索引
        int right = 2 * i + 2; // 右子节点的索引

        // 判断左子节点是否大于堆顶元素
        if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {
            largest = left;
        }

        // 判断右子节点是否大于堆顶元素
        if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {
            largest = right;
        }

        // 如果堆顶元素不是最大值，则交换堆顶元素和最大值，并继续调整堆
        if (largest != i) {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[largest];
            arr[largest] = temp;

            heapify(arr, n, largest);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] arr = { 12, 11, 13, 5, 6, 7 };
        
        System.out.println("原始数组：");
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println("\n------------------------");

        BinaryHeap<Integer> heap = new BinaryHeap<>(arr);
        BinaryTrees.println(heap);

        System.out.println("==========================");

        heapSort(arr);

        System.out.println("\n排序后的数组：");
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
        System.out.println("\n------------------------");

        BinaryHeap<Integer> heap2 = new BinaryHeap<>(arr);
        BinaryTrees.println(heap2);

    }
}

输出结果为：

bash 复制代码 
原始数组：
12 11 13 5 6 7 
------------------------
   ┌──13─┐
   │     │
┌─11─┐ ┌─12
│    │ │
5    6 7
==========================

排序后的数组：
5 6 7 11 12 13 
------------------------
    ┌──13─┐
    │     │
 ┌─12─┐ ┌─7
 │    │ │
11    6 5

注意：

以下这个方法是会对【原数组】的值改变的，heapSort 方法会直接修改原始数组。这意味着在排序之后，原始数组的顺序会被改变。

如果你希望保持原始数组的不变，并在排序后得到一个新的已排序副本，可以使用以下方法：

java 复制代码 
// 在进行堆排序之前，创建一个原始数组的副本。
Integer[] arr = { 12, 11, 13, 5, 6, 7 };
Integer[] arrCopy = Arrays.copyOf(arr, arr.length);

空间复杂度能否下降至 O(1)?

在当前的实现中，二叉堆的空间复杂度是 O(n)，其中 n 是元素的数量。这是因为我们使用一个数组来存储堆的元素。

  • 要将空间复杂度降低到 O(1)，我们需要修改数据结构的实现方式。

  • 目前的实现方式(BinaryHeap<E>)是使用一个动态数组来存储元素，但这会占用 O(n) 的额外空间。

如果要将空间复杂度降低到 O(1)，我们可以考虑使用原始的输入数组来表示堆，而不是创建一个额外的数组。这意味着我们需要在原始数组上进行堆操作，而不是将元素复制到新的数组中。（比如上面写的第二种代码示例）

但是，这样做会对原始数组进行修改，并且在堆操作期间可能会打乱原始数组的顺序。因此，在实际应用中，这种修改可能会有限制，并且需要权衡空间和时间的复杂度。

总结起来，要将空间复杂度降低到 O(1)，需要在原始数组上进行操作，但这可能会对原始数组造成修改，并可能会有限制和权衡。具体的实现方式取决于具体的应用场景和需求。

示例代码分析

第一种示例方法复杂度解析

空间复杂度：

如果输入的元素个数为 n，且 n 大于 10，那么空间复杂度为 O(n)；否则，空间复杂度为 O(1)。

所以最坏空间复杂度为 O(n)。

时间复杂度：

  • 构建二叉堆的过程具有 O(n) 的时间复杂度，其中 n 是输入数组的长度。
  • 接下来，进行 n 次删除操作，每次删除操作的时间复杂度为 O(logn)。由于删除操作会调整堆的结构，保持最大堆的性质，因此每次删除操作的时间复杂度为O(logn)。
  • 因此，总体上，堆排序的时间复杂度为 O(nlogn)。

第二种示例方法复杂度解析

空间复杂度：

  • 在 heapSort 方法中，除了输入数组之外，没有使用额外的空间。因此，空间复杂度为 O(1)，即常数级别的空间复杂度。

时间复杂度：

  • 构建最大堆的过程具有 O(n) 的时间复杂度，其中 n 是输入数组的长度。

  • 接下来，进行 n-1 次堆调整和交换操作，每次操作的时间复杂度为 O(logn)。

  • 因此，总体上，堆排序的时间复杂度为 O(nlogn) 。

    *。

  • 目前的实现方式(BinaryHeap<E>)是使用一个动态数组来存储元素，但这会占用 O(n) 的额外空间。

如果要将空间复杂度降低到 O(1)，我们可以考虑使用原始的输入数组来表示堆，而不是创建一个额外的数组。这意味着我们需要在原始数组上进行堆操作，而不是将元素复制到新的数组中。（比如上面写的第二种代码示例）

但是，这样做会对原始数组进行修改，并且在堆操作期间可能会打乱原始数组的顺序。因此，在实际应用中，这种修改可能会有限制，并且需要权衡空间和时间的复杂度。

总结起来，要将空间复杂度降低到 O(1)，需要在原始数组上进行操作，但这可能会对原始数组造成修改，并可能会有限制和权衡。具体的实现方式取决于具体的应用场景和需求。

示例代码分析

第一种示例方法复杂度解析

空间复杂度：

如果输入的元素个数为 n，且 n 大于 10，那么空间复杂度为 O(n)；否则，空间复杂度为 O(1)。

所以最坏空间复杂度为 O(n)。

时间复杂度：

  • 构建二叉堆的过程具有 O(n) 的时间复杂度，其中 n 是输入数组的长度。
  • 接下来，进行 n 次删除操作，每次删除操作的时间复杂度为 O(logn)。由于删除操作会调整堆的结构，保持最大堆的性质，因此每次删除操作的时间复杂度为O(logn)。
  • 因此，总体上，堆排序的时间复杂度为 O(nlogn)。

第二种示例方法复杂度解析

空间复杂度：

  • 在 heapSort 方法中，除了输入数组之外，没有使用额外的空间。因此，空间复杂度为 O(1)，即常数级别的空间复杂度。

时间复杂度：

  • 构建最大堆的过程具有 O(n) 的时间复杂度，其中 n 是输入数组的长度。
  • 接下来，进行 n-1 次堆调整和交换操作，每次操作的时间复杂度为 O(logn)。
  • 因此，总体上，堆排序的时间复杂度为 O(nlogn)。
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