二叉堆 及 大根堆的python实现

Python

二叉堆（binary heap）

二叉堆是一种特殊的堆，二叉堆是完全二叉树或者是近似完全二叉树。二叉堆满足堆特性：父节点的键值总是保持固定的序关系于任何一个子节点的键值，且每个节点的左子树和右子树都是一个二叉堆。

当父节点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值时为最大堆。 当父节点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值时为最小堆。

二叉堆的存储

二叉堆一般用数组来表示。如果根节点在数组中的位置是1，第n个位置的子节点分别在2n和 2n+1。因此，第1个位置的子节点在2和3，第2个位置的子节点在4和5。以此类推。这种基于1的数组存储方式便于寻找父节点和子节点。

如果存储数组的下标基于0，那么下标为i的节点的子节点是2i + 1与2i + 2；其父节点的下标是⌊floor((i − 1) ∕ 2)⌋, 函数floor(x), 其功能是“向下取整”，或者说“向下舍入”，即取不大于x的最大整数（与“四舍五入”不同，下取整是直接取按照数轴上最接近要求值的左边值，即不大于要求值的最大的那个值）。比如floor(1.1),floor(1.9)都是返回1。

如下图的两个堆：



将这两个堆保存在以1开始的数组中：

位置: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

左图: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

右图: 11 9 10 5 6 7 8 1 2 3 4

对于一个很大的堆，这种存储是低效的。因为节点的子节点很可能在另外一个内存页中。B-heap是一种效率更高的存储方式，把每个子树放到同一内存页。

如果用指针链表存储堆，那么需要能访问叶节点的方法。可以对二叉树“穿线”(threading)方式，来依序遍历这些节点。

基本操作

插入节点

在数组的最末尾插入新节点。然后自下而上调整子节点与父节点（称作up-heap或bubble-up, percolate-up, sift-up, trickle up, heapify-up, cascade-up操作）：比较当前节点与父节点，不满足堆性质则交换。从而使得当前子树满足二叉堆的性质。时间复杂度为O(log n)。

删除节点

删除根节点用于堆排序。

对于最大堆，删除根节点就是删除最大值；对于最小堆，是删除最小值。然后，把堆存储的最后那个节点移到填在根节点处。再从上而下调整父节点与它的子节点：对于最大堆，父节点如果小于具有最大值的子节点，则交换二者。这一操作称作down-heap或bubble-down, percolate-down, sift-down, trickle down, heapify-down, cascade-down,extract-min/max等。直至当前节点与它的子节点满足堆性质为止。

构造二叉堆

一个直观办法是从单节点的二叉堆开始，每次插入一个节点。其时间复杂度为 {\displaystyle O(n\log n)} O(n\log n)。

最优算法是从一个节点元素任意放置的二叉树开始，自底向上对每一个子树执行删除根节点时的Max-Heapify算法（这是对最大堆而言）使得当前子树成为一个二叉堆。具体而言，假设高度为h的子树均已完成二叉堆化，那么对于高度为h+1的子树，把其根节点沿着最大子节点的分枝做调整，最多需要h步完成二叉堆化。可以证明，这个算法的时间复杂度为O(n)。

代码

#!/usr/bin/env python2
# -*- coding: utf-8 -*-
"""

@author: gsharp
"""

class BinaryHeap:
    def __init__(self, n):
        self.heap = [0] * n
        self.size = 0

    def remove_min(self):
        removed = self.heap[0]
        self.size -= 1
        self.heap[0] = self.heap[self.size]
        self._down(0)
        return removed

    def add(self, value):
        self.heap[self.size] = value
        self._up(self.size)
        self.size += 1

    def _up(self, pos):
        while pos > 0:
            parent = (pos - 1) // 2
            if self.heap[pos] >= self.heap[parent]:
                break
            self.heap[pos], self.heap[parent] = self.heap[parent], self.heap[pos]
            pos = parent

    def _down(self, pos):
        while True:
            child = 2 * pos + 1
            if child >= self.size:
                break
            if child + 1 < self.size and self.heap[child + 1] < self.heap[child]:
                child += 1
            if self.heap[pos] <= self.heap[child]:
                break
            self.heap[pos], self.heap[child] = self.heap[child], self.heap[pos]
            pos = child

def test():
    h = BinaryHeap(10)
    h.add(5)
    h.add(7)
    h.add(9)
    h.add(4)
    h.add(3)
    print(h.heap)
    h.add(1)
    print(h.heap)
    h.add(2)
    print(h.heap)
    print(h.remove_min())
    print(h.remove_min())
    print(h.remove_min())

test()