数据结构之堆（优先级队列）

如果有一个集合K=｛0,k1,,k2,...,kn-1｝,把集合K的元素按照完全二叉树的顺序存储方式 存储在一个一维数组中，并且满足：K(i)<=K(2I+1)且K(i)<=K(2i+2) (K(i)>=K(2I+1)且K(i)>=K(2i+2) ),i=0,1,2,3... ,则叫做小堆（或大堆）。

将根节点最小的堆叫做小根堆或最小堆。

将根节点最大的堆叫做大根堆或最大堆。

2.2堆的性质

1.堆中的某个节点总是不大于或不小于其父节点的值。

2.堆总是一棵完全二叉树。

在jDK1.8中的优先级队列底层使用了堆这种数据结构，而堆其实就是就是完全二叉树的基础进行调整的。

2.3堆的存储方式

我们从堆的概念可以知道，堆是一棵完全二叉树，所以可以层序的规则采用顺序的方式存储。

注意：对于非完全二叉树，不适合采用顺序方式进行存储。

原因：为了还原二叉树，空间中必须要存储空节点，就会导致空间利用率较低。

将元素存储到数组中后，我们可以根据二叉树的性质5进行还原，假设i为节点在数组中的下标，则有：

如果i为0，则i表示的节点为根节点，否则i节点的双亲节点为（i-1）/2;

如果2*i+1小于节点个数，则**节点i的左孩子下标为2*i+1,**否则没有左孩子；

如果2*i+2小于节点个数，则节点的右孩子下标为2*i+2,否则没有右孩子。

2.4堆的创建

2.4.1向下调整

我们拿集合｛28,16,48,13,46,45,25,36,22,42｝为例，如何将其创建成堆呢？？

我们可以看到，此时根节点的左右子树都不满足堆的性质。所以我们需要对每个有子树的父节点进行向下调整。

1.向下调整思路

对于一棵完全二叉树，要其变成小根堆（或大根堆），我们需要满足根节点的左右子树都是小堆（大堆）。

规则：1.找出父亲节点的左右节点中值较小（或较大）的节点。

2.找出较小值（较大值）与父亲节点进行比较。

3.小堆：若父亲节点比左右节点中的较小值大，则进行交换，再将较小值的位置给到父亲节点，再进行向下调整。当父亲节点的值小于左右节点中的较小值时，调整停止

大堆：若父亲节点比左右节点中的较大值小，则进行交换，再将较大值的位置给到父亲节点，再进行向下调整。当父亲节点的值小于左右节点中的较小值时，调整停止

我们以创建小根堆为例：

对于上图中的二叉树，我们可以看到其左右子树并不是小堆。

所以我们需要先对其左右子树进行向下调整：

我们从根节点位置最大的一个开始，依次递归进行调整。

我们可以看到父亲节点（46）比孩子节点（42）要大，所以要进行交换。

再让父亲节点（P）走向孩子节点（C）的位置，但是由于此时父亲节点并没有孩子节点，停止调整。再让P从节点值为13的位置开始向下调整，此时由于左右节点值都大于13，满足堆的性质，不进行交换。

依次类推：

当P走到节点值为48的位置时，再与左右孩子中的最小值进行比较，进行互换。

当P走到父亲节点（16）的位置时，进行向下调整，再让P往下走，但此时P所处的节点其满足堆的性质，不进行互换，调整停止。

此时，根节点（28）的左右子树都已经满足堆的性质，现只需要对根节点进行向下调整，就可以得到一个小根堆。

至此，我们就得到一个小根堆。

我们如果要创建一个大根堆，思路也是与创建小根堆的思路一样，只是在交换值时，是交换孩子节点中的较大值。

2.代码实现

对于上面我们所推的，

其小根堆为{13，16，25，22，42，45，48，36，28，46}；

其大根堆为{48，46，45，36，42，28，25，13，22，26｝；

java 复制代码

package MyQueue;

/**
 * Pheap类实现了大根堆数据结构。
 */
class Pheap {
    public int[] elem; // 存储堆元素的数组
    public int useSize; // 当前堆中元素的使用大小

    /**
     * 构造函数，初始化堆数组。
     *
     * @param size 堆数组的初始大小
     */
    public Pheap(int size){
        this.elem=new int[size];
    }

    /**
     * 使用给定数组初始化堆。
     *
     * @param arr 用于初始化堆的数组
     */
    public void init(int[] arr){
        for(int i=0;i<arr.length;i++){
            this.elem[i]=arr[i];
        }
        useSize=arr.length;
    }

    /**
     * 交换数组中两个元素的位置。
     *
     * @param child 需要交换的子元素下标
     * @param parent 需要交换的父元素下标
     */
    public void swap(int child,int parent){
        int temp=elem[child];
        elem[child]=elem[parent];
        elem[parent]=temp;
    }

    /**
     * 向下调整以维护大根堆性质。
     *
     * @param parent 需要向下调整的父节点下标
     * @param end 堆数组的结束下标
     */
    public void sitDownBig(int parent,int end){
        int child=2*parent+1;
        while(child<end){
            if(child+1<end&&elem[child]<elem[child+1]){
                child++;
            }
            if(elem[child]>elem[parent]){
                swap(child,parent);
                parent=child;
                child=2*parent+1;
            }else{
                break;
            }
        }
    }

    /**
     * 构建大根堆。
     */
    public void createHeapBig(){
        for(int parent=(useSize-1-1)/2;parent>=0;parent--){
             sitDownBig(parent,useSize);
        }
    }
    /**
     *构建小根堆
     */
    public void creatHeapSmall(){
        for(int parent=(useSize-1-1)/2;parent>=0;parent--){
            sitDownSmall(parent,useSize);
        }
    }

    /**
     * 将指定元素下沉以维护堆的性质。该方法用于调整二叉堆，确保从指定父节点到末尾子节点的子树满足堆的性质。
     *
     * @param parent 父节点的索引
     * @param end 堆数组的末尾索引
     */
    public void sitDownSmall(int parent, int end) {
        // 计算左子节点的索引
        int child = 2 * parent + 1;
        while (child < end) {
            // 如果存在右子节点，并且右子节点比左子节点大，则将当前 child 指针指向右子节点
            if (child + 1 < end && elem[child] > elem[child + 1]) {
                child++;
            }
            // 如果当前 child 节点的值小于父节点的值，则交换它们，并将 parent 更新为当前 child，继续下沉调整
            if (elem[child] < elem[parent]) {
                swap(child, parent);
                parent = child;
                // 更新 child 为新的左子节点索引
                child = 2 * parent + 1;
            } else {
                // 如果当前 child 节点的值不小于父节点的值，说明已满足堆的性质，结束调整
                break;
            }
        }
    }
  
}

测试一下

java 复制代码

public class Prioirtyq {
    public static void main(String[] args){
        Pheap p=new Pheap(10);
        int arr[]={28,16,48,13,46,45,25,36,22,42};
        p.init(arr);
        p.creatHeapSmall();
        Pheap p1=new Pheap(10);
        p1.init(arr);
        p1.createHeapBig();
    }
}

可以看到，确实是所推的那样。

3.建堆的时间复杂度

我们假设完全二叉树的高度为h，

那么，对于第一层，其结点只有一个，但是其需要向下调整h-1层。对于第二层，其节点有2^1个，每个结点需要向下调整的次数为h-2，以此类推，对于第h-1层，其拥有的节点有2^{h-2}个，但其属于倒数第二层，所以只需要向下调整1次。

那么对于一棵完全二叉树，要想将其建成一个堆，其时间复杂度就是每层的节点数*其向下调整的次数所需要花费的时间。

T(n)=2^0*(h-1)+2^1*（h-2）+2^2*(h-3)+...+2^(h-2)*1 (1)式

我们不难看出，这是一个等差✖等比求和公式，我们可以用错位相减法来求出T(n)，不难看出，其公比为2.

所以在（1）式左右两边同时✖2，得

2T(n)= 2^1*(h-1)+2^2*(h-2)+2^3*(h-3)+...+2^(h-1)*1 (2)式

（2）式-（1）式可得

T(n)=2^1+2^2+2^3+...+2^(h-1)+1-h

我们将1化为2^0,

T(n)=2^0+2^1+2^2+2^3+...+2^(h-1)-h

可以看出这是一个等比数列求和公式，根据求和公式Sn=a1*(1-q^n)/1-q,得

T(n)=1*(1-2^h)/(1-2)-h=2^h-1-h

由二叉树的性质我们可以得到

节点数N=2^h-1

树的高度h=log2(N+1)

带入得

T(n)=N-log2(N+1)

根据大O渐进表示法

T(n)=O(N)

所以我们建堆的时间复杂度为O(N).

向下调整的时间复杂度为O(logN）.

2.5堆的插入

在一个堆中，如果我们想插入一个数据，那么就在堆尾进行插入，再进行向上调整.

我们同时也需要考虑此时堆满了没

2.5.1向上调整

思路：对于插入的节点（我们称作目标节点）

1.将目标节点与其父亲节点进行比较。

大根堆：如果是大根堆，当父亲节点比目标节点小，那就目标节点和父亲节点进行互换后，将父亲节点的位置给到目标节点，接着继续进行向上调整。当父亲节点比目标节点大，停止向上调整。

小根堆：当父亲节点比目标节点大，那就目标节点和父亲节点进行互换后，将父亲节点的位置给到目标节点，接着继续进行向上调整。当父亲节点比目标节点小，停止向上调整。

我们以小根堆插入新节点为例：

我们用上述中所创建而成的小根堆，让其插入一个值为10的节点，如图

我们可以知道，新插入的节点其父亲节点是值为42的节点，明显比值为10目标节点要大，所以要进行互换，再进行向上调整。

最后我们可以得到：

此时小根堆为｛10，13，25，22，16，45，48，36，46，42｝。

2.5.2堆插入代码实现：

java 复制代码

public void pushInS(int val){
        // 判断堆是否已满
        if(isFull()){
            elem= Arrays.copyOf(elem,elem.length*2);
        }
        //进行插入
        elem[useSize++]=val;
        //进行向上调整
        sitUp(useSize-1);
    }
    public void sitUp(int child){
        int parent=(child-1)/2;
        while(child>=0){
            if(elem[child]<elem[parent]){
                swap(child,parent);
                child=parent;
                parent=(child-1)/2;
            }else{
                break;
            }
        }
    }
  /**
     * 检查堆是否已满。
     *
     * @return 堆是否已满的布尔值
     */
    public boolean isFull(){
        return useSize==elem.length;
    }

可以看到，确定是所推断的那样。

2.6堆元素的删除

堆元素的删除一定是删除的堆顶元素！！！

2.6.1思路

对顶元素的删除其实也是利用到向下调整。

1.将对顶元素与队尾的元素进行互换

2.让有效个数减1

3.再来一次向下调整

2.6.2.代码实现

java 复制代码

public int Delete(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("堆为空");
        }
        int val=elem[0];
        swap(0,useSize-1);
        useSize--;
        sitDownSmall(0,useSize);
        return val;
    }

2.7获取堆的元素个数&&获取堆顶元素&&堆的打印

java 复制代码

  public int size(){
        return useSize;
    }
    public int peek(){
        if(isEmpty()){
            throw new RuntimeException("堆为空");
        }
        return elem[0];
    }
    public void print(){
        for(int i=0;i<useSize;i++){
            System.out.print(elem[i]+" ");
        }
        System.out.println();
    }

3.常用接口特性

3.1PriorityQueue的特性

在java集合框架中，提供了PriorityQueue和PriorityBlockingQueue 两种类型的优先级队列，但是PriorityQueue时线程不安全的，而PriorityBlockingQueue是线程安全的。

我们在使用PriorityQueue时，需要导入相应的包

import java.util.PriorityQueue;

注意：

1.PriorityQueue中放置的元素必须要能够比较大小，不能插入无法比较大小的对象，否则会抛出 ClassCastException异常

不能插入null对象，否则会抛出NullPointerException

没有容量限制，可以插入任意多个元素，其内部可以自动扩容

插入和删除元素的时间复杂度为O(log2N).

PriorityQueue底层使用了堆数据结构

PriorityQueue默认情况下是小堆---即每次获取到的元素都是最小的元素

3.2PriorityQueue常用接口介绍

1.优先级队列的构造

常用的有以下几个：

如果想要了解更多关于优先级队列，可以点击PriorityQueue （Java 平台 SE 8 ） (oracle.com)

java 复制代码

 public static void main(String[] args){
        PriorityQueue<Integer> pq=new PriorityQueue<>();
        pq.offer(1);
        pq.offer(2);
        pq.offer(3);
        System.out.println(pq.poll());
        System.out.println(pq.peek());
    }

扩容规则：

如果容量小于64时，是按照oldCapacity的2倍方式扩容的

如果容量大于等于64，是按照oldCapacity的1.5倍方式扩容的

如果容量超过MAX_ARRAY_SIZE，按照MAX_ARRAY_SIZE来进行扩容。

数据结构的堆就先到这。

若有不足之处，欢迎指正~~