diff --git a/codes/java/chapter_hashing/array_hash_map.java b/codes/java/chapter_hashing/array_hash_map.java index 68df1f3b..980a00ab 100644 --- a/codes/java/chapter_hashing/array_hash_map.java +++ b/codes/java/chapter_hashing/array_hash_map.java @@ -5,6 +5,7 @@ */ package chapter_hashing; + import java.util.*; /* 键值对 int->String */ diff --git a/codes/java/chapter_hashing/hash_map.java b/codes/java/chapter_hashing/hash_map.java index fe3f822f..47f4823b 100644 --- a/codes/java/chapter_hashing/hash_map.java +++ b/codes/java/chapter_hashing/hash_map.java @@ -5,6 +5,7 @@ */ package chapter_hashing; + import java.util.*; import include.*; diff --git a/codes/java/chapter_heap/heap.java b/codes/java/chapter_heap/heap.java new file mode 100644 index 00000000..1a0c53b9 --- /dev/null +++ b/codes/java/chapter_heap/heap.java @@ -0,0 +1,67 @@ +/** + * File: my_heap.java + * Created Time: 2023-01-07 + * Author: Krahets (krahets@163.com) + */ + +package chapter_heap; + +import include.*; +import java.util.*; + + +public class heap { + public static void testPush(Queue heap, int val) { + heap.add(val); // 元素入堆 + System.out.format("\n元素 %d 入堆后\n", val); + PrintUtil.printHeap(heap); + } + + public static void testPoll(Queue heap) { + int val = heap.poll(); // 堆顶元素出堆 + System.out.format("\n堆顶元素 %d 出堆后\n", val); + PrintUtil.printHeap(heap); + } + + public static void main(String[] args) { + /* 初始化堆 */ + // 初始化小顶堆 + Queue minHeap = new PriorityQueue<>(); + // 初始化大顶堆(使用 lambda 表达式修改 Comparator 即可) + Queue maxHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> { return b - a; }); + + System.out.println("\n以下测试样例为大顶堆"); + + /* 元素入堆 */ + testPush(maxHeap, 1); + testPush(maxHeap, 3); + testPush(maxHeap, 2); + testPush(maxHeap, 5); + testPush(maxHeap, 4); + + /* 获取堆顶元素 */ + int peek = maxHeap.peek(); + System.out.format("\n堆顶元素为 %d\n", peek); + + /* 堆顶元素出堆 */ + testPoll(maxHeap); + testPoll(maxHeap); + testPoll(maxHeap); + testPoll(maxHeap); + testPoll(maxHeap); + + /* 获取堆大小 */ + int size = maxHeap.size(); + System.out.format("\n堆元素数量为 %d\n", size); + + /* 判断堆是否为空 */ + boolean isEmpty = maxHeap.isEmpty(); + System.out.format("\n堆是否为空 %b\n", isEmpty); + + /* 输入列表并建堆 */ + // 时间复杂度为 O(n) ,而非 O(nlogn) + minHeap = new PriorityQueue<>(Arrays.asList(1, 3, 2, 5, 4)); + System.out.println("\n输入列表并建立小顶堆后"); + PrintUtil.printHeap(minHeap); + } +} diff --git a/codes/java/chapter_heap/my_heap.java b/codes/java/chapter_heap/my_heap.java new file mode 100644 index 00000000..b80ce6d0 --- /dev/null +++ b/codes/java/chapter_heap/my_heap.java @@ -0,0 +1,177 @@ +/** + * File: my_heap.java + * Created Time: 2023-01-07 + * Author: Krahets (krahets@163.com) + */ + +package chapter_heap; + +import include.*; +import java.util.*; + +class MaxHeap { + // 使用列表而非数组,这样无需考虑扩容问题 + private List maxHeap; + + /* 构造函数,建立空堆 */ + public MaxHeap() { + maxHeap = new ArrayList<>(); + } + + /* 构造函数,根据输入列表建堆 */ + public MaxHeap(List nums) { + // 所有元素入堆 + maxHeap = new ArrayList<>(nums); + // 堆化除叶结点以外的其他所有结点 + for (int i = parent(size() - 1); i >= 0; i--) { + siftDown(i); + } + } + + /* 获取左子结点索引 */ + private int left(int i) { + return 2 * i + 1; + } + + /* 获取右子结点索引 */ + private int right(int i) { + return 2 * i + 2; + } + + /* 获取父结点索引 */ + private int parent(int i) { + return (i - 1) / 2; // 向下整除 + } + + /* 交换元素 */ + private void swap(int i, int j) { + int a = maxHeap.get(i), + b = maxHeap.get(j), + tmp = a; + maxHeap.set(i, b); + maxHeap.set(j, tmp); + } + + /* 获取堆大小 */ + public int size() { + return maxHeap.size(); + } + + /* 判断堆是否为空 */ + public boolean isEmpty() { + return size() == 0; + } + + /* 访问堆顶元素 */ + public int peek() { + return maxHeap.get(0); + } + + /* 元素入堆 */ + public void push(int val) { + // 添加结点 + maxHeap.add(val); + // 从底至顶堆化 + siftUp(size() - 1); + } + + /* 从结点 i 开始,从底至顶堆化 */ + private void siftUp(int i) { + while (true) { + // 获取结点 i 的父结点 + int p = parent(i); + // 当“越过根结点”或“结点无需修复”时,结束堆化 + if (p < 0 || maxHeap.get(i) <= maxHeap.get(p)) + break; + // 交换两结点 + swap(i, p); + // 循环向上堆化 + i = p; + } + } + + /* 元素出堆 */ + public int poll() { + // 判空处理 + if (isEmpty()) + throw new EmptyStackException(); + // 交换根结点与最右叶结点(即交换首元素与尾元素) + swap(0, size() - 1); + // 删除结点 + int val = maxHeap.remove(size() - 1); + // 从顶至底堆化 + siftDown(0); + // 返回堆顶元素 + return val; + } + + /* 从结点 i 开始,从顶至底堆化 */ + private void siftDown(int i) { + while (true) { + // 判断结点 i, l, r 中值最大的结点,记为 ma + int l = left(i), r = right(i), ma = i; + if (l < size() && maxHeap.get(l) > maxHeap.get(ma)) + ma = l; + if (r < size() && maxHeap.get(r) > maxHeap.get(ma)) + ma = r; + // 若结点 i 最大或索引 l, r 越界,则无需继续堆化,跳出 + if (ma == i) break; + // 交换两结点 + swap(i, ma); + // 循环向下堆化 + i = ma; + } + } + + /* 打印堆(二叉树) */ + public void print() { + Queue queue = new PriorityQueue<>((a, b) -> { return b - a; }); + queue.addAll(maxHeap); + PrintUtil.printHeap(queue); + } +} + + +public class my_heap { + public static void testPush(MaxHeap maxHeap, int val) { + maxHeap.push(val); // 元素入堆 + System.out.format("\n添加元素 %d 后\n", val); + maxHeap.print(); + } + + public static void testPoll(MaxHeap maxHeap) { + int val = maxHeap.poll(); // 堆顶元素出堆 + System.out.format("\n出堆元素为 %d\n", val); + maxHeap.print(); + } + + public static void main(String[] args) { + /* 初始化大顶堆 */ + MaxHeap maxHeap = new MaxHeap(Arrays.asList(9, 8, 6, 6, 7, 5, 2, 1, 4, 3, 6, 2)); + System.out.println("\n输入列表并建堆后"); + maxHeap.print(); + + /* 获取堆顶元素 */ + int peek = maxHeap.peek(); + System.out.format("\n堆顶元素为 %d\n", peek); + + /* 元素入堆 */ + int val = 7; + maxHeap.push(val); + System.out.format("\n元素 %d 入堆后\n", val); + maxHeap.print(); + + /* 堆顶元素出堆 */ + peek = maxHeap.poll(); + System.out.format("\n堆顶元素 %d 出堆后\n", peek); + maxHeap.print(); + + /* 获取堆大小 */ + int size = maxHeap.size(); + System.out.format("\n堆元素数量为 %d\n", size); + + /* 判断堆是否为空 */ + boolean isEmpty = maxHeap.isEmpty(); + System.out.format("\n堆是否为空 %b\n", isEmpty); + } +} diff --git a/codes/java/chapter_tree/binary_tree_bfs.java b/codes/java/chapter_tree/binary_tree_bfs.java index 450311d0..ffeb352e 100644 --- a/codes/java/chapter_tree/binary_tree_bfs.java +++ b/codes/java/chapter_tree/binary_tree_bfs.java @@ -30,7 +30,7 @@ public class binary_tree_bfs { public static void main(String[] args) { /* 初始化二叉树 */ // 这里借助了一个从数组直接生成二叉树的函数 - TreeNode root = TreeNode.arrToTree(new Integer[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 }); + TreeNode root = TreeNode.listToTree(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)); System.out.println("\n初始化二叉树\n"); PrintUtil.printTree(root); diff --git a/codes/java/chapter_tree/binary_tree_dfs.java b/codes/java/chapter_tree/binary_tree_dfs.java index ad5337f2..9f2d0507 100644 --- a/codes/java/chapter_tree/binary_tree_dfs.java +++ b/codes/java/chapter_tree/binary_tree_dfs.java @@ -43,7 +43,7 @@ public class binary_tree_dfs { public static void main(String[] args) { /* 初始化二叉树 */ // 这里借助了一个从数组直接生成二叉树的函数 - TreeNode root = TreeNode.arrToTree(new Integer[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 }); + TreeNode root = TreeNode.listToTree(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)); System.out.println("\n初始化二叉树\n"); PrintUtil.printTree(root); diff --git a/codes/java/include/PrintUtil.java b/codes/java/include/PrintUtil.java index b2593ac1..1ebc45ba 100755 --- a/codes/java/include/PrintUtil.java +++ b/codes/java/include/PrintUtil.java @@ -105,10 +105,16 @@ public class PrintUtil { } } - public static void printHeap(PriorityQueue queue) { - Integer[] nums = (Integer[])queue.toArray(); - TreeNode root = TreeNode.arrToTree(nums); - + /** + * Print a heap (PriorityQueue) + * @param queue + */ + public static void printHeap(Queue queue) { + List list = new ArrayList<>(queue); + System.out.print("堆的数组表示:"); + System.out.println(list); + System.out.println("堆的树状表示:"); + TreeNode root = TreeNode.listToTree(list); printTree(root); } } diff --git a/codes/java/include/TreeNode.java b/codes/java/include/TreeNode.java index 11d457a1..22a34974 100644 --- a/codes/java/include/TreeNode.java +++ b/codes/java/include/TreeNode.java @@ -23,26 +23,27 @@ public class TreeNode { /** * Generate a binary tree given an array - * @param arr + * @param list * @return */ - public static TreeNode arrToTree(Integer[] arr) { - if (arr.length == 0) + public static TreeNode listToTree(List list) { + int size = list.size(); + if (size == 0) return null; - TreeNode root = new TreeNode(arr[0]); + TreeNode root = new TreeNode(list.get(0)); Queue queue = new LinkedList<>() {{ add(root); }}; int i = 0; while(!queue.isEmpty()) { TreeNode node = queue.poll(); - if (++i >= arr.length) break; - if(arr[i] != null) { - node.left = new TreeNode(arr[i]); + if (++i >= size) break; + if (list.get(i) != null) { + node.left = new TreeNode(list.get(i)); queue.add(node.left); } - if (++i >= arr.length) break; - if(arr[i] != null) { - node.right = new TreeNode(arr[i]); + if (++i >= size) break; + if (list.get(i) != null) { + node.right = new TreeNode(list.get(i)); queue.add(node.right); } } diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step1.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step1.png new file mode 100644 index 00000000..f1a8d905 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step1.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step10.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step10.png new file mode 100644 index 00000000..027c7e18 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step10.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step2.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step2.png new file mode 100644 index 00000000..abef7ca8 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step2.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step3.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step3.png new file mode 100644 index 00000000..4a2db29a Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step3.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step4.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step4.png new file mode 100644 index 00000000..64c4fd42 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step4.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step5.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step5.png new file mode 100644 index 00000000..513d6fe8 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step5.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step6.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step6.png new file mode 100644 index 00000000..72f3ffac Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step6.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step7.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step7.png new file mode 100644 index 00000000..85263d5a Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step7.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step8.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step8.png new file mode 100644 index 00000000..9231963d Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step8.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step9.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step9.png new file mode 100644 index 00000000..34b578f2 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_poll_step9.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step1.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step1.png new file mode 100644 index 00000000..00489b07 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step1.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step2.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step2.png new file mode 100644 index 00000000..a38eef32 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step2.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step3.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step3.png new file mode 100644 index 00000000..01491207 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step3.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step4.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step4.png new file mode 100644 index 00000000..4379a31c Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step4.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step5.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step5.png new file mode 100644 index 00000000..e810842e Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step5.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step6.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step6.png new file mode 100644 index 00000000..66ea466a Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heap_push_step6.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/heapify_count.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/heapify_count.png new file mode 100644 index 00000000..944aab54 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/heapify_count.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/min_heap_and_max_heap.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/min_heap_and_max_heap.png new file mode 100644 index 00000000..fe1720d9 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/min_heap_and_max_heap.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.assets/representation_of_heap.png b/docs/chapter_heap/heap.assets/representation_of_heap.png new file mode 100644 index 00000000..5a9cac20 Binary files /dev/null and b/docs/chapter_heap/heap.assets/representation_of_heap.png differ diff --git a/docs/chapter_heap/heap.md b/docs/chapter_heap/heap.md new file mode 100644 index 00000000..37e5aaf6 --- /dev/null +++ b/docs/chapter_heap/heap.md @@ -0,0 +1,339 @@ +--- +comments: true +--- + +# 堆 + +「堆 Heap」是一颗限定条件下的「完全二叉树」。根据成立条件,堆主要分为两种类型: + +- 「大顶堆 Max Heap」,任意结点的值 $\geq$ 其子结点的值; +- 「小顶堆 Min Heap」,任意结点的值 $\leq$ 其子结点的值; + +![min_heap_and_max_heap](heap.assets/min_heap_and_max_heap.png) + +## 堆术语与性质 + +- 由于堆是完全二叉树,因此最底层结点靠左填充,其它层结点皆被填满。 +- 二叉树中的根结点对应「堆顶」,底层最靠右结点对应「堆底」。 +- 对于大顶堆 / 小顶堆,其堆顶元素(即根结点)的值最大 / 最小。 + +## 堆常用操作 + +值得说明的是,多数编程语言提供的是「优先队列 Priority Queue」,其是一种抽象数据结构,**定义为具有出队优先级的队列**。 + +而恰好,**堆的定义与优先队列的操作逻辑完全吻合**,大顶堆就是一个元素从大到小出队的优先队列。从使用角度看,我们可以将「优先队列」和「堆」理解为等价的数据结构。因此,本文与代码对两者不做特别区分,统一使用「堆」来命名。 + +堆的常用操作见下表(方法命名以 Java 为例)。 + +

Table. 堆的常用操作

+ +
+ +| 方法 | 描述 | 时间复杂度 | +| --------- | -------------------------------------------- | ----------- | +| add() | 元素入堆 | $O(\log n)$ | +| poll() | 堆顶元素出堆 | $O(\log n)$ | +| peek() | 访问堆顶元素(大 / 小顶堆分别为最大 / 小值) | $O(1)$ | +| size() | 获取堆的元素数量 | $O(1)$ | +| isEmpty() | 判断堆是否为空 | $O(1)$ | + +
+ +我们可以直接使用编程语言提供的堆类(或优先队列类)。 + +!!! tip + + 类似于排序中“从小到大排列”和“从大到小排列”,“大顶堆”和“小顶堆”可仅通过修改 Comparator 来互相转换。 + +=== "Java" + + ```java title="heap.java" + /* 初始化堆 */ + // 初始化小顶堆 + Queue minHeap = new PriorityQueue<>(); + // 初始化大顶堆(使用 lambda 表达式修改 Comparator 即可) + Queue maxHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> { return b - a; }); + + /* 元素入堆 */ + maxHeap.add(1); + maxHeap.add(3); + maxHeap.add(2); + maxHeap.add(5); + maxHeap.add(4); + + /* 获取堆顶元素 */ + int peek = maxHeap.peek(); // 5 + + /* 堆顶元素出堆 */ + // 出堆元素会形成一个从大到小的序列 + peek = heap.poll(); // 5 + peek = heap.poll(); // 4 + peek = heap.poll(); // 3 + peek = heap.poll(); // 2 + peek = heap.poll(); // 1 + + /* 获取堆大小 */ + int size = maxHeap.size(); + + /* 判断堆是否为空 */ + boolean isEmpty = maxHeap.isEmpty(); + + /* 输入列表并建堆 */ + minHeap = new PriorityQueue<>(Arrays.asList(1, 3, 2, 5, 4)); + ``` + +## 堆的实现 + +下文实现的是「大顶堆」,若想转换为「小顶堆」,将所有大小逻辑判断取逆(例如将 $\geq$ 替换为 $\leq$ )即可,有兴趣的同学可自行实现。 + +### 堆的存储与表示 + +在二叉树章节我们学过,「完全二叉树」非常适合使用「数组」来表示,而堆恰好是一颗完全二叉树,**因而我们采用「数组」来存储「堆」**。 + +**二叉树指针**。使用数组表示二叉树时,元素代表结点值,索引代表结点在二叉树中的位置,**而结点指针通过索引映射公式来实现**。 + +具体地,给定索引 $i$ ,那么其左子结点索引为 $2i + 1$ 、右子结点索引为 $2i + 2$ 、父结点索引为 $(i - 1) / 2$ (向下整除)。当索引越界时,代表空结点或结点不存在。 + +![representation_of_heap](heap.assets/representation_of_heap.png) + +我们将索引映射公式封装成函数,以便后续使用。 + +=== "Java" + + ```java title="my_heap.java" + // 使用列表而非数组,这样无需考虑扩容问题 + List maxHeap; + + /* 构造函数,建立空堆 */ + public MaxHeap() { + maxHeap = new ArrayList<>(); + } + + /* 获取左子结点索引 */ + int left(int i) { + return 2 * i + 1; + } + + /* 获取右子结点索引 */ + int right(int i) { + return 2 * i + 2; + } + + /* 获取父结点索引 */ + int parent(int i) { + return (i - 1) / 2; // 向下整除 + } + ``` + +### 访问堆顶元素 + +堆顶元素是二叉树的根结点,即列表首元素。 + +=== "Java" + + ```java title="my_heap.java" + /* 访问堆顶元素 */ + public int peek() { + return maxHeap.get(0); + } + ``` + +### 元素入堆 + +给定元素 `val` ,我们先将其添加到堆底。添加后,由于 `val` 可能大于堆中其它元素,此时堆的成立条件可能已经被破坏,**因此需要修复从插入结点到根结点这条路径上的各个结点**,该操作被称为「堆化 Heapify」。 + +考虑从入堆结点开始,**从底至顶执行堆化**。具体地,比较插入结点与其父结点的值,若插入结点更大则将它们交换;并循环以上操作,从底至顶地修复堆中的各个结点;直至越过根结点时结束,或当遇到无需交换的结点时提前结束。 + +=== "Step 1" + ![heap_push_step1](heap.assets/heap_push_step1.png) + +=== "Step 2" + ![heap_push_step2](heap.assets/heap_push_step2.png) + +=== "Step 3" + ![heap_push_step3](heap.assets/heap_push_step3.png) + +=== "Step 4" + ![heap_push_step4](heap.assets/heap_push_step4.png) + +=== "Step 5" + ![heap_push_step5](heap.assets/heap_push_step5.png) + +=== "Step 6" + ![heap_push_step6](heap.assets/heap_push_step6.png) + +设结点总数为 $n$ ,则树的高度为 $O(\log n)$ ,易得堆化操作的循环轮数最多为 $O(\log n)$ ,**因而元素入堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。 + +=== "Java" + + ```java title="my_heap.java" + /* 元素入堆 */ + void push(int val) { + // 添加结点 + maxHeap.add(val); + // 从底至顶堆化 + siftUp(size() - 1); + } + + /* 从结点 i 开始,从底至顶堆化 */ + void siftUp(int i) { + while (true) { + // 获取结点 i 的父结点 + int p = parent(i); + // 若“越过根结点”或“结点无需修复”,则结束堆化 + if (p < 0 || maxHeap.get(i) <= maxHeap.get(p)) + break; + // 交换两结点 + swap(i, p); + // 循环向上堆化 + i = p; + } + } + ``` + +### 堆顶元素出堆 + +堆顶元素是二叉树根结点,即列表首元素,如果我们直接将首元素从列表中删除,则二叉树中所有结点都会随之发生移位(索引发生变化),这样后续使用堆化修复就很麻烦了。为了尽量减少元素索引变动,采取以下操作步骤: + +1. 交换堆顶元素与堆底元素(即交换根结点与最右叶结点); +2. 交换完成后,将堆底从列表中删除(注意,因为已经交换,实际上删除的是原来的堆顶元素); +3. 从根结点开始,**从顶至底执行堆化**; + +顾名思义,**从顶至底堆化的操作方向与从底至顶堆化相反**,我们比较根结点的值与其两个子结点的值,将最大的子结点与根结点执行交换,并循环以上操作,直到越过叶结点时结束,或当遇到无需交换的结点时提前结束。 + +=== "Step 1" + ![heap_poll_step1](heap.assets/heap_poll_step1.png) + +=== "Step 2" + ![heap_poll_step2](heap.assets/heap_poll_step2.png) + +=== "Step 3" + ![heap_poll_step3](heap.assets/heap_poll_step3.png) + +=== "Step 4" + ![heap_poll_step4](heap.assets/heap_poll_step4.png) + +=== "Step 5" + ![heap_poll_step5](heap.assets/heap_poll_step5.png) + +=== "Step 6" + ![heap_poll_step6](heap.assets/heap_poll_step6.png) + +=== "Step 7" + ![heap_poll_step7](heap.assets/heap_poll_step7.png) + +=== "Step 8" + ![heap_poll_step8](heap.assets/heap_poll_step8.png) + +=== "Step 9" + ![heap_poll_step9](heap.assets/heap_poll_step9.png) + +=== "Step 10" + ![heap_poll_step10](heap.assets/heap_poll_step10.png) + +与元素入堆操作类似,**堆顶元素出堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。 + +=== "Java" + + ```java title="my_heap.java" + /* 元素出堆 */ + int poll() { + // 判空处理 + if (isEmpty()) + throw new EmptyStackException(); + // 交换根结点与最右叶结点(即交换首元素与尾元素) + swap(0, size() - 1); + // 删除结点 + int val = maxHeap.remove(size() - 1); + // 从顶至底堆化 + siftDown(0); + // 返回堆顶元素 + return val; + } + + /* 从结点 i 开始,从顶至底堆化 */ + void siftDown(int i) { + while (true) { + // 判断结点 i, l, r 中值最大的结点,记为 ma + int l = left(i), r = right(i), ma = i; + if (l < size() && maxHeap.get(l) > maxHeap.get(ma)) + ma = l; + if (r < size() && maxHeap.get(r) > maxHeap.get(ma)) + ma = r; + // 若“结点 i 最大”或“越过叶结点”,则结束堆化 + if (ma == i) break; + // 交换两结点 + swap(i, ma); + // 循环向下堆化 + i = ma; + } + } + ``` + +### 输入数据并建堆 * + +如果我们想要直接输入一个列表并将其建堆,那么该怎么做呢?最直接地,考虑使用「元素入堆」方法,将列表元素依次入堆。元素入堆的时间复杂度为 $O(n)$ ,而平均长度为 $\frac{n}{2}$ ,因此该方法的总体时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。 + +然而,存在一种更加优雅的建堆方法。设结点数量为 $n$ ,我们先将列表所有元素原封不动添加进堆,**然后迭代地对各个结点执行「从顶至底堆化」**。当然,**无需对叶结点执行堆化**,因为其没有子结点。 + +=== "Java" + + ```java title="my_heap.java" + /* 构造函数,根据输入列表建堆 */ + public MaxHeap(List nums) { + // 将列表元素原封不动添加进堆 + maxHeap = new ArrayList<>(nums); + // 堆化除叶结点以外的其他所有结点 + for (int i = parent(size() - 1); i >= 0; i--) { + siftDown(i); + } + } + ``` + +那么,第二种建堆方法的时间复杂度时多少呢?我们来做一下简单推算。 + +- 完全二叉树中,设结点总数为 $n$ ,则叶结点数量为 $(n + 1) / 2$ ,其中 $/$ 为向下整除。因此在排除叶结点后,需要堆化结点数量为 $(n - 1)/2$ ,即为 $O(n)$ ; +- 从顶至底堆化中,每个结点最多堆化至叶结点,因此最大迭代次数为二叉树高度 $O(\log n)$ ; + +将上述两者相乘,可得时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。然而,该估算结果仍不够准确,因为我们没有考虑到 **二叉树底层结点远多于顶层结点** 的性质。 + +下面我们来尝试展开计算。为了减小计算难度,我们假设树是一个「完美二叉树」,该假设不会影响计算结果的正确性。设二叉树(即堆)结点数量为 $n$ ,树高度为 $h$ 。上文提到,**结点堆化最大迭代次数等于该结点到叶结点的距离,而这正是“结点高度”**。因此,我们将各层的“结点数量 $\times$ 结点高度”求和,即可得到所有结点的堆化的迭代次数总和。 + +$$ +T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{(h-1)}\times1 +$$ + +![heapify_count](heap.assets/heapify_count.png) + +化简上式需要借助中学的数列知识,先对 $T(h)$ 乘以 $2$ ,易得 + +$$ +\begin{aligned} +T(h) & = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{h-1}\times1 \newline +2 T(h) & = 2^1h + 2^2(h-1) + 2^3(h-2) + \cdots + 2^{h}\times1 \newline +\end{aligned} +$$ + +**使用错位相减法**,令下式 $2 T(h)$ 减去上式 $T(h)$ ,可得 + +$$ +2T(h) - T(h) = T(h) = -2^0h + 2^1 + 2^2 + \cdots + 2^{h-1} + 2^h +$$ + +观察上式,$T(h)$ 是一个等比数列,可直接使用求和公式,得到时间复杂度为 + +$$ +\begin{aligned} +T(h) & = 2 \frac{1 - 2^h}{1 - 2} - h \newline +& = 2^{h+1} - h \newline +& = O(2^h) +\end{aligned} +$$ + +进一步地,高度为 $h$ 的完美二叉树的结点数量为 $n = 2^{h+1} - 1$ ,易得复杂度为 $O(2^h) = O(n)$。以上推算表明,**输入列表并建堆的时间复杂度为 $O(n)$ ,非常高效**。 + +## 堆常见应用 + +- **优先队列**。堆常作为实现优先队列的首选数据结构,入队和出队操作时间复杂度为 $O(\log n)$ ,建队操作为 $O(n)$ ,皆非常高效。 +- **堆排序**。给定一组数据,我们使用其建堆,并依次全部弹出,则可以得到有序的序列。当然,堆排序一般无需弹出元素,仅需每轮将堆顶元素交换至数组尾部并减小堆的长度即可。 +- **获取最大的 $k$ 个元素**。这既是一道经典算法题目,也是一种常见应用,例如选取热度前 10 的新闻作为微博热搜,选取前 10 销量的商品等。 diff --git a/docs/chapter_stack_and_queue/deque.md b/docs/chapter_stack_and_queue/deque.md index 52b0540d..4671d5c9 100644 --- a/docs/chapter_stack_and_queue/deque.md +++ b/docs/chapter_stack_and_queue/deque.md @@ -18,16 +18,16 @@ comments: true
-| 方法 | 描述 | -| ------------ | ---------------- | -| offerFirst() | 将元素添加至队首 | -| offerLast() | 将元素添加至队尾 | -| pollFirst() | 删除队首元素 | -| pollLast() | 删除队尾元素 | -| peekFirst() | 访问队首元素 | -| peekLast() | 访问队尾元素 | -| size() | 获取队列的长度 | -| isEmpty() | 判断队列是否为空 | +| 方法 | 描述 | 时间复杂度 | +| ------------ | ---------------- | ---------- | +| offerFirst() | 将元素添加至队首 | $O(1)$ | +| offerLast() | 将元素添加至队尾 | $O(1)$ | +| pollFirst() | 删除队首元素 | $O(1)$ | +| pollLast() | 删除队尾元素 | $O(1)$ | +| peekFirst() | 访问队首元素 | $O(1)$ | +| peekLast() | 访问队尾元素 | $O(1)$ | +| size() | 获取队列的长度 | $O(1)$ | +| isEmpty() | 判断队列是否为空 | $O(1)$ |
@@ -196,5 +196,5 @@ comments: true === "Swift" ```swift title="deque.swift" - + ``` diff --git a/docs/chapter_stack_and_queue/queue.md b/docs/chapter_stack_and_queue/queue.md index 0c589fa6..1d1b09d3 100644 --- a/docs/chapter_stack_and_queue/queue.md +++ b/docs/chapter_stack_and_queue/queue.md @@ -20,13 +20,13 @@ comments: true
-| 方法 | 描述 | -| --------- | ---------------------------- | -| offer() | 元素入队,即将元素添加至队尾 | -| poll() | 队首元素出队 | -| front() | 访问队首元素 | -| size() | 获取队列的长度 | -| isEmpty() | 判断队列是否为空 | +| 方法 | 描述 | 时间复杂度 | +| --------- | ---------------------------- | ---------- | +| offer() | 元素入队,即将元素添加至队尾 | $O(1)$ | +| poll() | 队首元素出队 | $O(1)$ | +| front() | 访问队首元素 | $O(1)$ | +| size() | 获取队列的长度 | $O(1)$ | +| isEmpty() | 判断队列是否为空 | $O(1)$ |
@@ -231,7 +231,7 @@ comments: true === "Swift" ```swift title="queue.swift" - + ``` ## 队列实现 @@ -627,7 +627,7 @@ comments: true === "Swift" ```swift title="linkedlist_queue.swift" - + ``` ### 基于数组的实现 @@ -1042,7 +1042,7 @@ comments: true === "Swift" ```swift title="array_queue.swift" - + ``` ## 队列典型应用 diff --git a/docs/chapter_stack_and_queue/stack.md b/docs/chapter_stack_and_queue/stack.md index 04825695..88b335fb 100644 --- a/docs/chapter_stack_and_queue/stack.md +++ b/docs/chapter_stack_and_queue/stack.md @@ -22,13 +22,13 @@ comments: true
-| 方法 | 描述 | -| --------- | ---------------------- | -| push() | 元素入栈(添加至栈顶) | -| pop() | 栈顶元素出栈 | -| peek() | 访问栈顶元素 | -| size() | 获取栈的长度 | -| isEmpty() | 判断栈是否为空 | +| 方法 | 描述 | 时间复杂度 | +| --------- | ---------------------- | ---------- | +| push() | 元素入栈(添加至栈顶) | $O(1)$ | +| pop() | 栈顶元素出栈 | $O(1)$ | +| peek() | 访问栈顶元素 | $O(1)$ | +| size() | 获取栈的长度 | $O(1)$ | +| isEmpty() | 判断栈是否为空 | $O(1)$ |
diff --git a/docs/chapter_tree/summary.md b/docs/chapter_tree/summary.md index a46a253f..15dc2f6d 100644 --- a/docs/chapter_tree/summary.md +++ b/docs/chapter_tree/summary.md @@ -15,4 +15,4 @@ comments: true - 前序、中序、后序遍历是深度优先搜索,体现着“走到头、再回头继续”的回溯遍历方式,通常使用递归实现。 - 二叉搜索树是一种高效的元素查找数据结构,查找、插入、删除操作的时间复杂度皆为 $O(\log n)$ 。二叉搜索树退化为链表后,各项时间复杂度劣化至 $O(n)$ ,因此如何避免退化是非常重要的课题。 - AVL 树又称平衡二叉搜索树,其通过旋转操作,使得在不断插入与删除结点后,仍然可以保持二叉树的平衡(不退化)。 -- AVL 树的旋转操作分为右旋、左旋、先右旋后左旋、先左旋后右旋。在插入或删除结点后,AVL 树会从底置顶地执行旋转操作,使树恢复平衡。 +- AVL 树的旋转操作分为右旋、左旋、先右旋后左旋、先左旋后右旋。在插入或删除结点后,AVL 树会从底至顶地执行旋转操作,使树恢复平衡。 diff --git a/mkdocs.yml b/mkdocs.yml index 9ddae9f3..ad836ae9 100644 --- a/mkdocs.yml +++ b/mkdocs.yml @@ -161,6 +161,8 @@ nav: - 二叉搜索树: chapter_tree/binary_search_tree.md - AVL 树 *: chapter_tree/avl_tree.md - 小结: chapter_tree/summary.md + - 堆: + - 堆(Heap): chapter_heap/heap.md - 查找算法: - 线性查找: chapter_searching/linear_search.md - 二分查找: chapter_searching/binary_search.md