java版数据结构：堆，大根堆，小根堆

堆的基本概念：

堆是一种特殊的树形数据结构，它满足以下两个性质：

堆是一个完全二叉树，即除了最后一层外，其他层都是满的，并且最后一层的节点都尽量靠左排列。

堆中每个节点的值都大于等于（或小于等于）其子节点的值，根节点的值最大（或最小）。

根据第二个性质，堆可以分为最大堆和最小堆：

最大堆：每个节点的值都大于等于其子节点的值，根节点的值最大。（又称大根堆）

最小堆：每个节点的值都小于等于其子节点的值，根节点的值最小。（又称小根堆）

堆通常用于实现优先队列，可以高效地插入、删除和获取具有最高（或最低）优先级的元素。常见的堆有二叉堆、斐波那契堆等。

如何将一个二叉树调整成一个大根堆：

要将一个二叉树调整成一个大根堆，可以采用堆排序的思想，从最后一个非叶子节点开始，依次向上调整每个节点，使其满足大根堆的性质。以下是一个示例的Java代码实现：
java 复制代码
class MaxHeap {
    public void heapify(int[] arr) {
        int n = arr.length;
        
        // 从最后一个非叶子节点开始向上调整
        for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
            heapifyUtil(arr, n, i);
        }
    }
    
    private void heapifyUtil(int[] arr, int n, int i) {
        int largest = i;  // 初始化最大值为当前节点
        int left = 2 * i + 1;
        int right = 2 * i + 2;
        
        // 找出当前节点、左子节点和右子节点中的最大值
        if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {
            largest = left;
        }
        if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {
            largest = right;
        }
        
        // 如果最大值不是当前节点，则交换位置并递归调整
        if (largest != i) {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[largest];
            arr[largest] = temp;
            
            heapifyUtil(arr, n, largest);
        }
    }
}
假设我们有一个数组 arr = {4, 10, 3, 5, 1}，我们希望将其调整成一个大根堆。我们可以使用上面提供的 MaxHeap 类中的 heapify() 方法来实现。
java 复制代码
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = {4, 10, 3, 5, 1};
        
        MaxHeap maxHeap = new MaxHeap();
        maxHeap.heapify(arr);
        
        System.out.println("大根堆数组：");
        for (int num : arr) {
            System.out.print(num + " ");
        }
    }
}
在上面的示例中，我们将数组 {4, 10, 3, 5, 1} 调整成大根堆后，输出结果应该为 {10, 5, 3, 4, 1}。

调成小根堆同理。

转成大根堆的时间复杂度

在将一个数组调整成大根堆的过程中，我们从最后一个非叶子节点开始，依次向上调整每个节点，使得每个节点都满足大根堆的性质。

从最后一个非叶子节点开始，向上遍历直到根节点。对于一个具有n个节点的完全二叉树，最后一个非叶子节点的索引为n/2 - 1。

在每个节点处，我们需要执行以下操作：

比较当前节点与其左右子节点的值，找出其中最大的值。

如果最大值不是当前节点的值，则交换当前节点与最大子节点的值。

继续向下递归调整交换后的子节点，直到满足大根堆的性质。

因为每个节点最多需要比较和交换O(log n)次，而最后一个非叶子节点的数量是n/2，所以整个调整过程的时间复杂度为O(n)。

因此，将一个数组调整成大根堆的时间复杂度为O(n)。

根堆中的插入，取出数据：

如果您想在 Java 中实现向大根堆中插入元素和从大根堆中取出最大元素的操作，您可以修改 MaxHeap 类，添加 insert() 和 extractMax() 方法。下面是一个示例代码：

java 复制代码

public class MaxHeap {
    public void heapify(int[] arr) {
        int n = arr.length;
        
        for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
            heapifyUtil(arr, n, i);
        }
    }
    
    private void heapifyUtil(int[] arr, int n, int i) {
        int largest = i;
        int left = 2 * i + 1;
        int right = 2 * i + 2;
        
        if (left < n && arr[left] > arr[largest]) {
            largest = left;
        }
        if (right < n && arr[right] > arr[largest]) {
            largest = right;
        }
        
        if (largest != i) {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[largest];
            arr[largest] = temp;
            
            heapifyUtil(arr, n, largest);
        }
    }
    
    public void insert(int[] arr, int key) {
        // 将新元素插入到数组末尾
        arr[arr.length] = key;
        
        // 从新元素的父节点开始向上调整
        int i = arr.length;
        while (i > 0 && arr[(i-1)/2] < arr[i]) {
            int temp = arr[i];
            arr[i] = arr[(i-1)/2];
            arr[(i-1)/2] = temp;
            i = (i-1)/2;
        }
    }
    
    public int extractMax(int[] arr) {
        int n = arr.length;
        if (n == 0) {
            return -1; // 堆为空
        }
        
        int max = arr[0]; // 最大元素为根节点
        arr[0] = arr[n-1]; // 将最后一个元素移到根节点
        heapifyUtil(arr, n-1, 0); // 从根节点开始向下调整
        
        return max;
    }
}