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堆---java

潘安邦
2023-12-01

1、堆实际就是在完全二叉树的基础之上进行了一些元素的调整。

2、如果有一个关键码的集合K = {k0,k1, k2,…,kn-1},把它的所有元素按完全二叉树的顺序存储方式存储在一个一维数组中,并满足:Ki = K2i+1 且 Ki >= K2i+2) i = 0,1,2…,则 称为 小堆(或大堆)。将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆,根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。

3、堆的性质

  • 堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值;
  • 堆总是一棵完全二叉树。

4、堆的存储方式

  • 堆是一棵完全二叉树,因此可以层序的规则采用顺序的方式来高效存储。
  • 对于非完全二叉树,则不适合使用顺序方式进行存储,因为为了能够还原二叉树,空间中必须要 存储空节点,就会导致空间利用率比较低。
  • 将元素存储到数组中后,可以根据二叉树的性质对树进行还原。假设i为节点在数组中的下标,则有:
  1. 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。
  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。
  3. 如果2 * i + 2 小于节点个数,则节点i的右孩子下标为2 * i + 2,否则没有右孩子。

5、堆向下调整

public void shiftDown(int[] array, int parent) {
    // child先标记parent的左孩子,因为parent可能有左孩子没有右孩子
    int child = 2 * parent + 1;
    int size = array.length;
    
    while (child < size) {
        
        // 如果右孩子存在,找到左右孩子中较小的孩子,用child进行标记
        if(child+1 < size && array[child+1] < array[child]){
            child += 1;
       }
        
        
        if (array[parent] <= array[child]) {
            break;
       }
        else{
            // 将双亲与较小的孩子交换
       int t = array[parent];
       array[parent] = array[child];
       array[child] = t;
            
            // parent中大的元素往下移动,可能会造成子树不满足堆的性质,因此需要继续向下
调整
            parent = child;
            child = parent * 2 + 1;
       }
   }
}

在调整以parent为根的二叉树时,必须要满足parent的左子树和右子树已经是堆了才可以向下调整。

6、堆的创建

public static void createHeap(int[] array) {
    // 找倒数第一个非叶子节点,从该节点位置开始往前一直到根节点,遇到一个节点,应用向下调整
    int root = ((array.length-2)>>1);
    for (; root >= 0; root--) {
        shiftDown(array, root);
   }
}

7、堆的插入

  • 堆的插入总共需要两个步骤:
  1.  先将元素放入到底层空间中(注意:空间不够时需要扩容)。
  2.  将最后新插入的节点向上调整,直到满足堆的性质 。

8、堆的删除

  • 堆的删除一定删除的是堆顶元素。具体如下:
  1.  将堆顶元素对堆中最后一个元素交换。
  2. 将堆中有效数据个数减少一个。
  3. 对堆顶元素进行向下调整。
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