堆的定义
堆是一种常见的数据结构,具体定义可以见维基百科。
程序设计中实用的数据结构中对于堆的定义如下:
二叉堆是一棵满足下列性质的完全二叉树。
- 如果某节点有孩子,且根节点的值都小于孩子节点的值,我们称之为小根堆。
- 如果某节点有孩子,且根节点的值都大于孩子节点的值,我们称之为大根堆。
二叉堆的树结构同其他完全二叉树一样,所有叶子都在同一层或两个连续层上,最后一层的节点占据尽量左的位置。
利用堆的特性(最大堆和最小堆)可以对数列进行排序,堆排序的性能如下:
平均时间 | 最差情形 | 稳定度 | 额外空间 |
---|---|---|---|
O(nlogn) | O(nlogn) | 不稳定 | O(1) |
堆排序的步骤如下:
- 建堆
- 弹出堆顶元素
- 调整堆
- 重复2和3步骤
建堆
建堆有两种方法:
- 先填数后调整
- 边插入边调整
这里介绍前一种方法,也就是先填数后调整。由于堆满足完全二叉树的性质,所以可以用一个一维数组来保存堆中的数据。其中的性质如下:
在一维数组heap[1...n]中,其中heap[i]节点的父节点是heap[i div 2],左子节点是heap[2i],右子节点是heap[2i+1],若2i>n,则节点i为叶节点。
这里需要注意的是,定义中数组的编号是从1开始的,并且在算法描述中都将采用从1开始编号的方式,而我的代码中,为了统一操作,编号是从0开始的。
由于我们已知2i>n的点都是叶节点,也就是无法向下调整的节点,所以我们的自下而上的调整节点从n div 2节点开始,到根节点为止。
建堆的代码如下:
java
public MinHeap(int[] array) { length = array.length; num = array.clone(); int index = length / 2 - 1; while (index >= 0) { int toSwapIndex = num[index * 2 + 1] < num[index * 2 + 2] ? index * 2 + 1 : index * 2 + 2; if (num[toSwapIndex] < num[index]) { int temp = num[index]; num[index] = num[toSwapIndex]; num[toSwapIndex] = temp; topDownBuild(toSwapIndex); } index--; } } private void topDownBuild(int top) { while (top < length / 2) { int toSwapIndex = num[top * 2 + 1] < num[top * 2 + 2] ? top * 2 + 1 : top * 2 + 2; if (num[toSwapIndex] < num[top]) { int temp = num[top]; num[top] = num[toSwapIndex]; num[toSwapIndex] = temp; } else { break; } top = toSwapIndex; } }
弹出堆顶元素
堆顶元素就是当前数据集中的最小(或者最大)元素,弹出的操作很简单,就是获取num[0]
的值,然后将num[0]
重新赋值为num[length - 1]
,并且length--
即可。
调整堆
弹出堆顶元素之后,显而易见当前堆的状态被破坏了,那么就需要调整堆,其实也就是直接的调用topDownBuild(int top)
方法。这一步中的调整堆算法其实和建堆时的很像,但是有如下区别:
- 建堆时,采用的是自下而上的调整策略;调整堆时,采用的自下而上的调整策略。因为如果刨去当前的堆顶元素,整个堆其他位置的元素其实是处在合理的位置。
- 调整堆时,只要当前位置已经是合理的了,那就不需要继续调整,可以马上跳出循环。
重复
重复弹出堆顶元素和调整堆两步骤,直到堆空了为止(成员变量length等于0)。
完整代码如下:
java
/** * Created by findingsea on 3/12/15. * 对于一个包含了n个节点的二叉堆来说,叶子的数量为n为奇数:(n / 2 + 1)或者n为偶数:(n / 2) */ public class HeapSort { public int[] sort(int[] num) { int[] result = new int[num.length]; MinHeap minHeap = new MinHeap(num); for (int i = 0; i < result.length; i++) { result[i] = minHeap.pop(); } return result; } class MinHeap { int[] num; int length; public MinHeap(int[] array) { length = array.length; num = array.clone(); int index = length / 2 - 1; while (index >= 0) { int toSwapIndex = num[index * 2 + 1] < num[index * 2 + 2] ? index * 2 + 1 : index * 2 + 2; if (num[toSwapIndex] < num[index]) { int temp = num[index]; num[index] = num[toSwapIndex]; num[toSwapIndex] = temp; topDownBuild(toSwapIndex); } index--; } } // 边插入边调整 public void add(int n) { } public int pop() { int top = num[0]; num[0] = num[length - 1]; length--; topDownBuild(0); return top; } private void topDownBuild(int top) { while (top < length / 2) { int toSwapIndex = num[top * 2 + 1] < num[top * 2 + 2] ? top * 2 + 1 : top * 2 + 2; if (num[toSwapIndex] < num[top]) { int temp = num[top]; num[top] = num[toSwapIndex]; num[toSwapIndex] = temp; } else { break; } top = toSwapIndex; } } } }
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