注:本节主要讨论最大堆(最小堆同理)。

一、堆的概念
    堆,又称二叉堆。同二叉查找树一样,堆也有两个性质,即结构性和堆序性。
    1、结构性质:
    堆是一棵被完全填满的二叉树,有可能的例外是在底层,底层上的元素从左到右填入。这样的树称为完全二叉树(complete binary tree)。下图就是这样一个例子。
    
    对于完全二叉树,有这样一些性质:
    (1)、一棵高h的完全二叉树,其包含2^h ~ (2^(h+1) - 1)个节点。也就是说,完全二叉树的高是[logN],显然它是O(logN)。
    (2)、完全二叉树可以用数组进行结构表示:

index

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

value


A

B

C

D

E

F

G

H

I

J





    仔细考察该数组的index和元素在树中的分布情况,可以得到:
    对于一个三元素的二叉树,树结构和数组索引有如下关系:
    leftChild.index = 2 * parent.index;
    rightChild.index = 2 * parent.index + 1; 
    (3)、通过前面的讨论,我们可以这样去看待一个堆的数据结构:
    一个数组、当前堆的大小heapLen。
    2、堆序性质:
    使操作被快速执行的性质是堆序性(heap order)。
    堆序性质:在一个堆中,对于每一个节点x,x的父亲中的关键字大于(或等于)x中的关键字,根节点除外(它没有父节点)。
    根据堆序性质,最大元总可以在根处找到。因此,我们以常数时间完成查找操作。
    比较:
    堆序性质的堆:
    
    无堆序性质的堆:
    

二、基本堆操作

    声明:
    int heap[MAX+1];
    int heapLen; //堆的大小

    int leftEle(int i){ return i*2; }
    int rightEle(int i){ return i*2+1; }
    int parentEle(int i){ return i/2; }
    void swap(int i, int j){
        int tmp;
        tmp = i, i = j, j = tmp;
    }


    1、查询操作:    

    int findMax()
    {
        return heap[1];
    }

    函数解析:
    堆的最大值即为根节点元素,直接返回该值即可。


    2、堆维护操作:

    下沉操作:
    void maxHeapify(int i)
    {
        int iLeft = leftEle(i);    //找到该节点的左儿子
        int iRight = rightEle(i);    //找到该节点的右儿子
        int largest = i;    //记录最大值节点,初始为节点自己
        
        //找到最大值对应的节点
        if( iLeft < heapLen && heap[i] < heap[iLeft] )
            largest = iLeft;
        if(iRight < heapLen && heap[largest] < heap[iRight] )
            largest = iRight;
        
        //交换原节点与最大值对应的节点,然后对交换后的节点进行堆维护操作
        if(largest != i)
        {
            swap(heap[i], heap[largest]);
            maxHeapify(largest);
        }
    }


    3、建堆操作:    

    在给出具体如何建堆的操作之前,我们可以考察一下具体应该怎样去实现。
    现在给出一个堆(应该不能称之为堆),这个堆由初始数组构造而成,其结构为:
    
    显然这不是最大堆。
    整个数组为:    
index
83
11
6
15
36
19
value
1
2
3
4
5
6
    经过一系列的操作,我们需要将该堆转换为:
    
    整个最大堆化过程是这样的:自下而上逐层维护堆操作。
    首先,找到第一个有子树的节点,对该节点进行堆维护操作,然后依次向上,进行堆维护。

    这里的问题:
    第一个有子树的节点在哪里?
    ===>>>>>
    对于完全二叉树,叶子节点必然存放在数组的尾端,现在的问题就在于叶子节点到底有多少个?知晓叶子节点的个数后,就可以很容易地确定有子树节点的位置。那么叶子节点到底有多少个呢?
    设完全二叉树总共有n个节点,叶子节点有n0个,由于二叉树的节点的度数最大为2,于是可设度数为1的节点数为n1,度数为2的节点数为n2。
    于是我们可以得到这样几个关系式:
    n0+n1+n2 = n;
    n-1 = 2*n2 + n1;(边数的两种不同表示方式)
    解此方程式,可以得到:    
    n0 = (n+1-n1)/2.
    对于完全二叉树,n1 = 1或0
    当n1=1时,n0=n/2;当n1=0时,n0=(n+1)/2。
    于是我们可以得到叶子节点为总节点数的一半。
    从而有,非叶子节点应该是数组的前半部分。

    ===>>>
    void buildHeap()
    {    
        int i;
        for( i = heapLen/2; i > 0; i--)
            maxHeapify(i);
    }


    4、排序操作:    

    堆排序的关键在于将最大值元素交换到数组尾端,重新进行堆维护操作。依次循环操作,即可以得到排序的数组。
    void heapSort()
    {
        int i;
        buileHeap();
        for( i=heapLen; i>=1; i--)
        {
            swap(heap[heapLen], heap[1]);
            heapLen--;
            maxHeapify(1);
        }
    }
    
    函数解析:
    首先我们先利用堆排序对一数组中的元素进行排序:
23
1
16
9
54

    现在进行堆排序:
    a、建堆:
    
    b、交换54和1,并解除堆最后一个元素与原堆的关系:
    
    c、重构堆:
    
    d、依次循环最终得到:
        
    这样,数组变为:
1
9
16
23
54

从而完成了对数组的排序。


    5、插入元素操作:    

    插入insertHeap():该操作同优先队列(priority queue)中的push操作。
    在介绍具体的插入操作前,需要实现increaseKey(int i, int key)函数,用于更新堆结构。
    上浮操作:
    void increaseKey(int i, int key)
    {
        assert(key >= heap[i]);    //断言key值大于heap[i],如果不成立,则终止并报错
        heap[i] = key;
        while(i > 1 && heap[parentEle(i)] < heap[i])
        {
            swap(heap[i], heap[parentEle(i)]);
            i = parentEle(i);
        }
    }
    在这里,需要着重介绍一下increaseKey操作的具体步骤,举例说明:
    对于这样一个堆,将节点6的值由8增加到54—>>>:
    
    整个操作过程即为increaseKey(6, 54)。
    整个过程如下:
    
    于是,插入元素到堆的代码如下:
    void insertHeap( int x )
    {
        heapLen++;
        heap[heapLen] = -INF;
        increaseKey(heapLen, x);
    }

    6、删除元素操作:

    删除deleteHeapMax():相当于优先队列中的pop()操作。
    int deleteHeapMax()
    {
        int ret = heap[1];
        swap(ret, heap[heapLen]);
        heapLen--;
        maxHeapify(1);
        return ret;
    }


三、算法分析:
查询操作
O(1)
堆维护操作
O(logN)
建堆操作
O(NlogN)
堆排序操作
O(NlogN)

数据结构 之 二叉堆(Heap)的更多相关文章

  1. D&F学数据结构系列——二叉堆

    二叉堆(binary heap) 二叉堆数据结构是一种数组对象,它可以被视为一棵完全二叉树.同二叉查找树一样,堆也有两个性质,即结构性和堆序性.对于数组中任意位置i上的元素,其左儿子在位置2i上,右儿 ...

  2. 【算法与数据结构】二叉堆和优先队列 Priority Queue

    优先队列的特点 普通队列遵守先进先出(FIFO)的规则,而优先队列虽然也叫队列,规则有所不同: 最大优先队列:优先级最高的元素先出队 最小优先队列:优先级最低的元素先出队 优先队列可以用下面几种数据结 ...

  3. 【数据结构与算法Python版学习笔记】树——利用二叉堆实现优先级队列

    概念 队列有一个重要的变体,叫作优先级队列. 和队列一样,优先级队列从头部移除元素,不过元素的逻辑顺序是由优先级决定的. 优先级最高的元素在最前,优先级最低的元素在最后. 实现优先级队列的经典方法是使 ...

  4. 数据结构图文解析之:二叉堆详解及C++模板实现

    0. 数据结构图文解析系列 数据结构系列文章 数据结构图文解析之:数组.单链表.双链表介绍及C++模板实现 数据结构图文解析之:栈的简介及C++模板实现 数据结构图文解析之:队列详解与C++模板实现 ...

  5. POJ 2010 - Moo University - Financial Aid 初探数据结构 二叉堆

    考虑到数据结构短板严重,从计算几何换换口味= = 二叉堆 简介 堆总保持每个节点小于(大于)父亲节点.这样的堆被称作大根堆(小根堆). 顾名思义,大根堆的数根是堆内的最大元素. 堆的意义在于能快速O( ...

  6. 二叉堆(binary heap)

    堆(heap) 亦被称为:优先队列(priority queue),是计算机科学中一类特殊的数据结构的统称.堆通常是一个可以被看做一棵树的数组对象.在队列中,调度程序反复提取队列中第一个作业并运行,因 ...

  7. 《数据结构与算法分析:C语言描述》复习——第五章“堆”——二叉堆

    2014.06.15 22:14 简介: 堆是一种非常实用的数据结构,其中以二叉堆最为常用.二叉堆可以看作一棵完全二叉树,每个节点的键值都大于(小于)其子节点,但左右孩子之间不需要有序.我们关心的通常 ...

  8. Binary Heap(二叉堆) - 堆排序

    这篇的主题主要是Heapsort(堆排序),下一篇ADT数据结构随笔再谈谈 - 优先队列(堆). 首先,我们先来了解一点与堆相关的东西.堆可以实现优先队列(Priority Queue),看到队列,我 ...

  9. 堆(Heap)和二叉堆(Binary heap)

    堆(Heap) The operations commonly performed with a heap are: create-heap: create an empty heap heapify ...

随机推荐

  1. cocos2D v3.x中动作回调函数的变化

    cocos2D v3.x版本中的动作的回调函数不能再带任何参数并且不能返回任何值. 官方给出的传递参数的办法是: 选择器(selector)不能带有任何形参,选择器需要的参数必须通过ivar或prop ...

  2. mt6577驱动开发 笔记版

    3 Preloader & Uboot 3.1 Preloader 3.1.1Preloader结构 Preloader的主题结构在文件:"alps\mediatek\platfor ...

  3. WinCE中断结构分析

    前一段时间研究了一下WinCE下的中断结构,整理了一下,希望与大家讨论. 最下面有PDF版本下载,便于保存 版权申明:本文版权归ARMCE所有,转载请保留所有原文内容及 ARMCE标识并注明出 自 A ...

  4. SoC嵌入式软件架构设计

    内存是SoC(System on Chip,片上系统)集成设计的重要模块,是SoC中成本比重较大的部分.内存管理的软硬件设计是SoC软件架构设计的重要一环,架构设计师必须要在成本和效率中取得平衡,做到 ...

  5. 初识MySQL数据库的各种CMD命令窗口下的指令

    今天我们就来看一下数据库的各种命令,以下命令全部是从CMD命令窗口下的命令行输入指令,首先如果如果输入mysql,系统提示"mysql不是内部命令或外部命令.那么这其实是环境变量没有设置好的 ...

  6. 如何在Eclipse CDT中编译含有多个main函数的项目

    最近在杭电ACM上做题,使用的C++工具是Eclipse,但是Eclipse CDT不能同时存在多个main函数的文件,上网也搜了很多资料,但是按他们的步骤来,还是不能实现自己想要的效果.经过一下午的 ...

  7. DB Query Analyzer 5.02 is distributed, 53 articles concerned have been published

    DB Query Analyzer is presented by Master Gen feng, Ma from Chinese Mainland. It has English version ...

  8. MOOS通配符订阅

    MOOS通配符订阅 简介 通配符订阅是MOOSV10的重要进步,客户端可以通过此方式订阅名字和来源符合简单正则表达式的数据. 现在仅支持"*"和"?"两种通配符 ...

  9. Mybatis解决jdbc编程的问题

    1.1.1  Mybatis解决jdbc编程的问题 1.  数据库链接创建.释放频繁造成系统资源浪费从而影响系统性能,如果使用数据库链接池可解决此问题. 解决:在SqlMapConfig.xml中配置 ...

  10. 掌握 Java 泛型类型(一)

    为理解泛型类型为何如此有用,我们要将注意力转向 Java 语言中最容易引发错误的因素之一 - 需要不断地将表达式向下类型转换(downcast)为比其静态类型更为具体的数据类型(请参阅参考资料中的&q ...