小根堆(Heap)的详细实现

堆的介绍

Heap是一种数据结构具有以下的特点：

1）完全二叉树

2）heap中存储的值是偏序

Min-heap: 父节点的值小于或等于子节点的值

Max-heap: 父节点的值大于或等于子节点的值

堆的存储

一般都用数组来表示堆，i结点的父结点下标就为(i–1)/2。它的左右子结点下标分别为2 * i + 1和2 * i + 2。如第0个结点左右子结点下标分别为1和2。

由于堆存储在下标从0开始计数的数组中，因此，在堆中给定下标为i的结点时：

（1）如果i=0，结点i是根结点，无父结点；否则结点i的父结点为结点(i-1)/2；

（2）如果2i+1>n-1，则结点i无左子女；否则结点i的左子女为结点2i+1；

（3）如果2i+2>n-1，则结点i无右子女；否则结点i的右子女为结点2i+2。

堆的操作：小根堆插入元素

插入一个元素：新元素被加入到heap的末尾，然后更新树以恢复堆的次序。

每次插入都是将新数据放在数组最后。可以发现从这个新数据的父结点到根结点必然为一个有序的数列，现在的任务是将这个新数据插入到这个有序数据中——这就类似于直接插入排序中将一个数据并入到有序区间中。需要从下网上，与父节点的关键码进行比较，对调。

堆的操作：删除小根堆堆的最小元素

按定义，堆中每次都删除第0个数据。为了便于重建堆，实际的操作是将最后一个数据的值赋给根结点，堆的元素个数-1，然后再从根结点开始进行一次从上向下的调整。调整时先在左右儿子结点中找最小的，如果父结点比这个最小的子结点还小说明不需要调整了，反之将父结点和它交换后再考虑后面的结点。相当于从根结点将一个数据的“下沉”过程。

堆的操作：创建堆

对于叶子节点，不用调整次序，根据满二叉树的性质，叶子节点比内部节点的个数多1.所以i=n/2 -1 ，不用从n开始。就是从最后一个有叶子结点的结点开始。

堆排序

如果从小到大排序，创建大堆建好之后堆中第0个数据是堆中最大的数据。取出这个数据，放在数组最后一个元素上，将当前元素数-1，再执行下堆的删除操作。这样堆中第0个数据又是堆中最大的数据，重复上述步骤直至堆中只有一个数据时，数组元素就已经有序。

小根堆的实现

#include <iostream>
using namespace std;

const int DefaultSize = 50;

template<typename T>
class MinHeap
{
public:
	//构造函数：建立空堆
	MinHeap(int sz=DefaultSize)
	{
		maxHeapSize = (DefaultSize < sz) ? sz : DefaultSize;
		heap = new T[maxHeapSize];
		currentSize = 0;
	}

	//构造函数通过一个数组建立堆
	MinHeap(T arr[],int n)
	{
		maxHeapSize = (DefaultSize < n) ? n : DefaultSize;
		heap = new T[maxHeapSize];
		for(int i=0;i<n;i++)
		{
			heap[i] = arr[i];
		}
		currentSize = n;
		int currentPos = (currentSize - 2) / 2;	//找最初调整位置:最后分支结点
		while (currentPos>=0)	//自底向上逐步扩大形成堆
		{
			siftDowm(currentPos, currentSize - 1);	//局部自上向下下滑调整
			currentPos--;	//再向前换一个分支结点
		}
	}

	//将x插入到最小堆中
	bool Insert(const T& x)
	{
		if(currentSize==maxHeapSize)
		{
			cout << "Heap Full!" << endl;
			return false;
		}
		heap[currentSize] = x;	//插入
		siftUp(currentSize);	//向上调整
		currentSize++;	//堆计数+1
		return true;
	}

	bool RemoveMin(T& x)
	{
		if(!currentSize)
		{
			cout << "Heap Empty!" << endl;
			return false;
		}
		x = heap[0];	//返回最小元素
		heap[0] = heap[currentSize - 1];	//最后元素填补到根结点
		currentSize--;
		siftDowm(0, currentSize - 1);	//自上向下调整为堆
		return true;
	}

	void output()
	{
		for(int i=0;i<currentSize;i++)
		{
			cout << heap[i] << " ";
		}
		cout << endl;
	}

protected:

	//最小堆的下滑调整算法
	void siftDowm(int start, int end)	//从start到end下滑调整成为最小堆
	{
		int cur = start;
		int min_child = 2 * cur + 1;	//先记max_child是cur的左子女位置
		T temp = heap[cur];
		while (min_child <=end)
		{
			if (min_child<end&&heap[min_child]>heap[min_child + 1])	//找到左右孩子中最小的一个
				min_child++;

			if(temp<=heap[min_child])
				break;
			else
			{
				heap[cur] = heap[min_child];
				cur = min_child;
				min_child = 2 * min_child + 1;
			}
		}
		heap[cur] = temp;
	}

	//最小堆的上滑调整算法
	void siftUp(int start)	//从start到0上滑调整成为最小堆
	{
		int cur = start;
		int parent = (cur - 1) / 2;
		T temp = heap[cur];
		while (cur>0)
		{
			if(heap[parent]<=temp)
				break;
			else
			{
				heap[cur] = heap[parent];
				cur = parent;
				parent = (parent - 1) / 2;
			}
		}
		heap[cur] = temp;	//回放temp中暂存的元素
	}
private:	//存放最小堆中元素的数组
	T* heap;
	int currentSize;	//最小堆中当前元素个数
	int maxHeapSize;	//最小堆最多允许元素个数
};

//------------------------主函数-------------------------
int main(int argc, char* argv[])
{
	MinHeap<int> h;
	h.Insert(8);
	h.Insert(5);
	h.Insert(7);
	h.Insert(9);
	h.Insert(6);
	h.Insert(12);
	h.Insert(15);
	h.output();

	int out;
	cout << static_cast<int> (h.RemoveMin(out)) << endl;
	h.output();

	int arr[10] = { 15,19,13,12,18,14,10,17,20,11 };
	MinHeap<int> h1(arr,10);
	h1.output();
}