数据结构自学Day8: 堆的排序以及TopK问题

堆的概念

逻辑结构:完全二叉树(包括大根堆,小根堆)

物理结构: 数组形式

大根堆:树中所有父亲大于等于孩子

小根堆:树中所有父亲小于等于孩子

作用:堆排序,返回前k个堆顶元素(TopK问题)

堆排序问题

由于我们的堆-->大根堆,小根堆都是以数组形式存储的,那么你可以通过数组的排序方法实现,例如冒泡排序,但是算法复杂度。

这里我们采用另外一种方式利用建立堆的方式来进行排序

利用小根堆-->降序排列,大根堆-->升序排列 。

这里我们的算法的时间复杂度为。每次进行向下调整时的算法复杂度为

堆的实现我们在二叉树中实现了,这里我们只提供排序算法接口。

算法实现:

cpp 复制代码
void Heap_Sort(Heap* pheap){
    assert(pheap); 
    // 初始化之后已经是小根堆了
    // 降序排序 // 排降序建小堆,升序要建大堆。
    for (size_t end = pheap->size - 1; end > 0; end--) {
        Swap(&pheap->arr[0], &pheap->arr[end]);       // 最小值放末尾
        AdjustDown(pheap->arr, end, 0);               // 重新堆化(注意 end 是新长度)
    }
}

返回前k个堆顶元素(TopK问题)

面试题 17.14. 最小K个数

设计一个算法,找出数组中最小的k个数。以任意顺序返回这k个数均可。

示例:

复制代码
输入: arr = [1,3,5,7,2,4,6,8], k = 4
输出: [1,2,3,4]

提示:

  • 0 <= len(arr) <= 100000
  • 0 <= k <= min(100000, len(arr))

算法思路:

N个数中找出最大的或者最小的前k个:

1、先排序再提取--冒泡排序

2、大小根堆排序再提取 --

如果我们的N非常大呢?无法内存上排序。

3、建K个数的大根堆来解决 --> 先建k个数的大根堆,其他元素与堆顶元素比较大小,比堆顶小进入堆,然后重新再排成小根堆。

这里我们主要实现第三种思路:

新建一个k个元素的大根堆,将数组的元素与堆顶元素比较,小于堆顶元素就放入堆内,再进行堆处理。不断重复这一过程,最后这个堆留下的就是小的那k个元素

算法的实现:

cpp 复制代码
void Swap(int* p1,int* p2){
    assert(p1 && p2);
    int tmp = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = tmp;
}

void AdjustDown(int* karr,int size, int root){
    assert(karr);
    int parent = root;
    int child = 2*parent+1;
    while(child<size){
        if(child+1<size && karr[child] < karr[child+1]){
            ++child;
        }
        if(karr[parent]<karr[child]){
            Swap(&karr[parent],&karr[child]);
            parent =child;
            child = 2*parent+1;
        }
        else{
            break;
        }
    }
}

int* smallestK(int* arr, int arrSize, int k, int* returnSize) {
    *returnSize = k;
    if(k == 0){
        return NULL;
    }
    int* karr = (int*) malloc(sizeof(int)*k);
    //初始化
    for(int i = 0;i<k;i++){
        karr[i] = arr[i];
    }
    //构建大根堆
    for(int root = (k-1-1)/2;root>=0;root--){
        AdjustDown(karr,k,root);
    }
    // 比较数组元素和堆顶元素
    for(int j = k;j<arrSize;j++){
        if(karr[0]>arr[j]){
            karr[0] = arr[j];
            AdjustDown(karr,k,0);
        }
    }
    return karr;
}

这里我们还是先利用到了上期内容我们实现的大根堆,小根堆的实现:二叉树的实现--堆,包括向下调整算法的应用,如何将一个数组元素排列成我们的堆。将数组中k个最小的数如何一步步存放到我们的堆的思想尤为重要,在面试题中常常出现!!

好了本期内容分享就到这结束了。谢谢大家的三连支持个

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