堆排序与海量TopK问题

Posted 2021-05-09 森明帮大于黑虎帮

系列文章目录

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文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、堆排序
• • • 1.什么是堆
• 二、堆排序原理
• • • 1.堆排序的实现
• 三、海量TopK问题
• • • 1.第一种解法
    • 2.第二种解法
• 总结

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前言

排序算法是个老生常谈的问题，笔试要考，面试也问，不过翻来覆去也就那几个花样吧。大概理解一下各个算法的原理，记下表格里的数据，然后再试试手撕代码，基本上就没问题了。

从表格里可以看出，堆排序是一个时间和空间复杂度都比较优秀的算法，至于它的原理，看懂是肯定能轻易看懂的，但是我总觉得如果你不自己亲手写一遍，就很容易忘记。并且，用递归的话，代码也是很简短的。

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一、堆排序

1.什么是堆

堆（heap）是一种数据结构，也被称为优先队列（priority queue）。队列中允许的操作是先进先出（FIFO），在队尾插入元素，在队头取出元素。而堆也是一样，在堆底插入元素，在堆顶取出元素，但是堆中元素的排列不是按照到来的先后顺序，而是按照一定的优先顺序排列的。这个优先顺序可以是元素的大小或者其他规则。
而二叉堆是一种特殊的堆，它是完全二元树（二叉树）或者是近似完全二元树（二叉树）。二叉堆有两种：最大堆和最小堆。最大堆：父结点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值；最小堆：父结点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值。如下图。

二、堆排序原理

堆排序（HeapSort）是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。它的关键在于建堆和调整堆。步骤主要如下：

1. 创建一个堆；
2. 把堆首（最大值）和堆尾互换；
3. 把堆的尺寸缩小1，并调整堆，把新的数组顶端数据调整到相应位置；
4. 重复步骤 2，直到堆的尺寸为1，此时排序结束。

堆排序(Heapsort)是指利用堆积树（堆）这种数据结构所设计的一种排序算法，它是选择排序的一种。它是通过堆来进行选择数据。需要注意的是排升序要建大堆，排降序建小堆。

当然，光看文字肯定不能很直观地理解，我们跟着图示来学习吧。现在，我们有一个待排序的数组 {2, 4, 3, 7, 5, 8}，我们通过构建最大堆的方法来排序。

对于建堆时间复杂度是O(N）:

1.堆排序的实现

代码如下：

void swap(int* left, int* right)
{
	int tmp = 0;
	tmp = *left;
	*left = *right;
	*right = tmp;
}
void AdjustDown(int* arr, int sz, int parent)
{
	int child = 2 * parent + 1;
	while (child < sz)
	{
		if (child + 1 < sz&&arr[child + 1] > arr[child])
		{
			child++;
		}
		if (arr[child]>arr[parent])
		{
			swap(&arr[child], &arr[parent]);
			parent = child;
			child = 2 * parent + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}
//排升序，建大堆
void HeapSort(int *arr, int sz)
{
	//建堆
	int i = (sz - 1 - 1) / 2;
	for (i = (sz - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(arr, sz, i);
	}
	int end = sz - 1;	
	while (end > 0)
	{
		//选出次大的
		swap(&arr[0], &arr[end]);
		//最后一个不用交换，所以为n-1个数为end
		AdjustDown(arr, end, 0);
		end--;
	}
}

三、海量TopK问题

最小的K个数
指Offer有这样一道题，求最小的K个数，题目描述：输入n个整数，找出其中最小的K个数。例如输入 4，5，1，6，2，7，3，8 这8个数字，则最小的4个数字是 1，2，3，4。
而在面试的时候，我们也可能遇到这样的问题：有一亿个浮点数，如何找出其中最大的10000个？
这类问题我们把称为TopK问题：指从大量数据（源数据）中获取最大（或最小）的K个数据。

1.第一种解法

建立一个大小为arrSize的堆，用进堆和出堆HeapPop和HeapTop两种方法，
代码如下：

void HeapInit(struct Heap* hp, HPDataType* a, int n)     //初始化堆
{
	assert(hp);
	hp->a = (HPDataType*)malloc(sizeof(HPDataType)*n);
	if (hp->a == NULL)
	{
		printf("malloc fail!\\n");
		exit(-1);
	}
	memcpy(hp->a, a, sizeof(HPDataType)*n);
	hp->size = n;
	hp->capacity = n;
	int i = 0;
	for (i = (hp->size - 2) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(hp->a, hp->size, i);
	}
}
void HeapPop(struct Heap* hp)
{
	assert(hp);
	assert(hp->size > 0);
	Swap(&hp->a[0], &hp->a[hp->size - 1]);
	hp->size--; //删除掉堆底数据
	AdjustDown(hp->a, hp->size, 0);
}
HPDataType HeapTop(struct Heap* hp)
{
	assert(hp);
	assert(hp->size != 0);
	return hp->a[0];
}
int* getLeastNumbers(int* arr, int arrSize, int k, int* returnSize)
{
	struct Heap hp;
	HeapInit(&hp, arr, arrSize);
	int* ret = (int*)malloc(sizeof(int)*k);
	for (int i = 0; i<k; i++)
	{
		ret[i] = HeapTop(&hp);
		HeapPop(&hp);
	}
	*returnSize = k;
	return ret;
}

2.第二种解法

我们可以先取下标 0~k-1 的局部数组，用它来维护一个大小为K的数组，然后遍历后续的数字，进行比较后决定是否替换。这时候堆排序就派上用场了。我们可以将前K个数字建立为一个最大堆，如果是要取最大的K个数，则在后续遍历中，将数字与最大堆的堆顶数字进行比较，若比它小，则进行替换，然后再重新调整为最大堆。整个过程直至所有数字遍历完为止。时间复杂度为O(n*log₂K)，空间复杂度为K。
代码如下：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS   1
/**
* Note: The returned array must be malloced, assume caller calls free().
*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void Swap(int* left, int* right)
{
	int tmp = 0;
	tmp = *left;
	*left = *right;
	*right = tmp;
}
void AdjustDown(int* a, int n, int parent)
{
	int child = 2 * parent + 1;
	while (child<n)//(n > 0)
	{
		if (child + 1 < n&&a[child + 1] > a[child])
		{
			child++;
		}
		if (a[child] > a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = 2 * parent + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}
int* smallestK(int* arr, int arrSize, int k, int* returnSize)
{
	if (k == 0)
	{
		*returnSize = 0;
		return NULL;
	}
	int* arrRet = (int*)malloc(sizeof(int)*k);
	int i = 0;
	//前面k个数建立大堆
	for (i = 0; i<k; i++)
	{
		arrRet[i] = arr[i];
	}
	int j = 0;
	for (j = (k - 1 - 1) / 2; j >= 0; j--)
	{
		AdjustDown(arrRet, k, j);
	}
	//后面n-k个数，比堆顶的小，进堆，在调堆
	for (i = k; i<arrSize; i++)
	{
		if (arrRet[0]>arr[i])
			arrRet[0] = arr[i];
		AdjustDown(arrRet, k, 0);
	}
	*returnSize = k;
	return arrRet;
}
int main()
{
	return 0;
}

关键：
相似的TopK问题还有：

1. 有10000000个记录，这些查询串的重复度比较高，如果除去重复后，不超过3000000个。一个查询串的重复度越高，说明查询它的用户越多，也就是越热门。请统计最热门的10个查询串，要求使用的内存不能超过1GB。
2. 有10个文件，每个文件1GB，每个文件的每一行存放的都是用户的query，每个文件的query都可能重复。按照query的频度排序。
3. 有一个1GB大小的文件，里面的每一行是一个词，词的大小不超过16个字节，内存限制大小是1MB。返回频数最高的100个词。
4. 提取某日访问网站次数最多的那个IP。
5. 10亿个整数找出重复次数最多的100个整数。
6. 搜索的输入信息是一个字符串，统计300万条输入信息中最热门的前10条，每次输入的一个字符串为不超过255B，内存使用只有1GB。
7. 有1000万个身份证号以及他们对应的数据，身份证号可能重复，找出出现次数最多的身份证号。
   等等…

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了堆中堆排序和热门问题TopK的解法，而堆提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法，我们务必掌握。另外，如果有需要源码的私信我即可。还有，如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。