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最近在恶补一些计算机基础内容,看到了堆排序,想想以前常说堆栈堆栈,但我竟然连堆有哪些应用都记不得了,所以,重温了堆排序后,我来给大家分享一下,希望能对大家有所帮助。(代码实现不采用伪代码,使用java实现,毕竟来看博客的都不想和看书一样把)
首先,堆是一种数据结构,你可以把他看成一颗完全二叉树,如下图所示:圆圈上方的数字代表下标:他的特性就是:父结点的值要大于两个儿子结点的值。
上图选自算法导论,下标从1开始,但我们写的时候,肯定是要按照从0开始的下标来写代码拉,这一点后面不会再特别说明了。
虽然堆可以用数组表示,但堆和数组有所区别,主要是在于数组的长度(length)不一定等于堆的大小(heapSize)。heapSize <= length。下标大于heapSize但小于length的值都不属于堆结构。
所以,在java里先新建一个类来表示堆:没有使用数组的原因是,java里数组初始化以后就不能再添加元素了,在讲解后面内容的时候会有所不方便。
public class Heap {
private ArrayList<Integer> A;
private int heapSize;
public ArrayList<Integer> getA() {
return A;
}
public void setA(ArrayList<Integer> a) {
A = a;
}
public int getHeapSize() {
return heapSize;
}
public void setHeapSize(int heapSize) {
this.heapSize = heapSize;
}
}
很容易得知,结点i的左儿子右儿子或父结点的下标的计算函数
int left(int i){
return i * 2 + 1;
}
int right(int i){
return i * 2 + 2;
}
int parent(int i){
return (i - 1) / 2;
}
要实现堆排序,我们首先得保持堆的性质。(下面用最大堆举例)
当儿子结点大于父节点的时候,就失去了最大堆的性质,所以在这个时候,我们只要把儿子结点和父结点交换,但是交换以后,被交换的父结点的儿子结点发生了变化,可能会继续违背最大堆这个性质,所以要递归调用这个算法。过程大致如下图所示:
对2号结点进行最大堆性质的保持
要实现这个过程的代码如下:
public void MaxHeapify(Heap heap, int i){
int l = left(i);
int r = right(i);
int largest;
if(l < heap.getHeapSize() && heap.getA().get(l) > heap.getA().get(i)){
largest = l;
}else{
largest = i;
}
if(r < heap.getHeapSize() && heap.getA().get(r) > heap.getA().get(largest)){
largest = r;
}
if(largest != i){
int temp = heap.getA().get(i);
heap.getA().set(i, heap.getA().get(largest));
heap.getA().set(largest, temp);
}else{
return;
}
MaxHeapify(heap, largest);
}
其实,这个算法是可以非递归实现的,可以提升效率:
public void MaxHeapifyNoRecursive(Heap heap, int i){
while(true){
int l = left(i);
int r = right(i);
int heapSize = heap.getHeapSize();
ArrayList<Integer> A = heap.getA();
int largest;
if(l < heapSize && A.get(l) > A.get(i)){
largest = l;
}else{
largest = i;
}
if(r < heapSize && A.get(r) > A.get(largest)){
largest = r;
}
if(largest != i){
int temp = A.get(i);
A.set(i, heap.getA().get(largest));
A.set(largest, temp);
}else{
return;
}
i = largest;
}
}
有了上述的算法,我们就可以进行建堆操作了,建堆的过程很简单,从下标heapSize - 1开始,对每个结点都执行MaxHeapify就行了,但是叶子结点由于没有子结点,所以只需要从(heapSize - 1)/2开始,对每个结点都执行MaxHeapify就行了
public void BuildMaxHeap(Heap heap){
int heapsize = heap.getHeapSize();
for(int i = (heapsize - 1) / 2; i >= 0; i--){
MaxHeapify(heap, i);
}
}
接下来,就是堆排序算法了。
先用BuildMaxHeap把输入的数组A构造成最大堆。然后,把下标heapSize - 1的元素和下标为0的元素对换,通过减小heapSize,让下标为heapSize - 1的元素从堆中剔除,再调用MaxHeapify(heap, 0)即可保证最大堆的性质。重复这个过程,直到堆中只剩下一个元素。
public void HeapSort(Heap heap){
BuildMaxHeap(heap);
int length = heap.getA().size(), heapSize = heap.getHeapSize();
for(int i = length - 1; i > 0; i--){
int temp = heap.getA().get(i);
heap.getA().set(i, heap.getA().get(0));
heap.getA().set(0, temp);
heap.setHeapSize(--heapSize);
MaxHeapify(heap, 0);
}
}
这样堆排序算法就算完成了,复杂度仅为O(nlg(n)),但是,其实快速排序往往优于它,虽然复杂度和它一样。所以下一篇博客我会写堆的另一个应用——优先级队列。
如果对代码有疑惑可以看我的github源码,上面有所有方法的单元测试:https://github.com/qjkobe/IntroductionToAlgorithms
如果发现问题,请立刻告诉我。我可不想误人子弟
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