Java数据结构一文搞懂优先级队列(堆)

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java数据结构一文搞懂优先级队列(堆)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

目录

一,二叉树的顺序存储

①存储方式

②下标关系

③二叉树顺序遍历

二,堆

①概念

②操作-向下调整

③建堆(建大堆为例)

三,堆的应用-优先级队列

①概念

②内部原理

③入队列

④出队列(优先级最高)

四,堆排序


一,二叉树的顺序存储

①存储方式

使用数组保存二叉树结构,方式即将二叉树用层序遍历方式放入数组中。 一般只适合表示完全二叉树,因为非完全二叉树会有空间的浪费。 这种方式的主要用法就是堆的表示。

②下标关系

已知双亲(parent)的下标,则:

左孩子(left)下标 = 2 * parent + 1;

右孩子(right)下标 = 2 * parent + 2;

已知孩子(不区分左右)(child)下标,则:

双亲(parent)下标 = (child - 1) / 2;

③二叉树顺序遍历

// 层序遍历
    void levelOrderTraversal(TreeNode root) 
        if(root == null) 
            return;
        
        Queue<TreeNode> queue = new LinkedList<>();
        queue.offer(root);
        while (!queue.isEmpty()) 
            TreeNode top = queue.poll();
            System.out.print(top.val+" ");
            if(top.left != null) 
                queue.offer(top.left);
            
            if(top.right!=null) 
                queue.offer(top.right);
            
        
        System.out.println();
    

二,堆

①概念

1. 堆逻辑上是一棵完全二叉树

2. 堆物理上是保存在数组中

3. 满足任意结点的值都大于其子树中结点的值,叫做大堆,或者大根堆,或者最大堆

4. 反之,则是小堆,或者小根堆,或者最小堆

②操作-向下调整

前提:

左右子树必须已经是一个堆,才能调整。

说明:

1. array 代表存储堆的数组

2. size 代表数组中被视为堆数据的个数

3. index 代表要调整位置的下标

4. left 代表 index 左孩子下标

5. right 代表 index 右孩子下标

6. min 代表 index 的最小值孩子的下标 

过程(以小堆为例):

Ⅰ index 如果已经是叶子结点,则整个调整过程结束

1. 判断 index 位置有没有孩子

2. 因为堆是完全二叉树,没有左孩子就一定没有右孩子,所以判断是否有左孩子

3. 因为堆的存储结构是数组,所以判断是否有左孩子即判断左孩子下标是否越界,即 left >= size 越界

Ⅱ 确定 left 或 right,谁是 index 的最小孩子 min

1. 如果右孩子不存在,则 min = left

2. 否则,比较 array[left] 和 array[right] 值得大小,选择小的为 min

Ⅲ比较 array[index] 的值 和 array[min] 的值,如果 array[index] <= array[min],则满足堆的性质,调整结束

Ⅳ否则,交换 array[index] 和 array[min] 的值

Ⅴ然后因为 min 位置的堆的性质可能被破坏,所以把 min 视作 index,向下重复以上过程

向下调整是以层序遍历的二叉树为例来遍历

public void adjustDown(int root,int len)
        int parent = root;
        int child = 2*parent + 1;
        while(child < len)
            if (child + 1 < len && this.elem[child] < this.elem[child + 1] )
                child++;
            
            if(this.elem[child] > this.elem[parent])
                int tmp = this.elem[parent];
                this.elem[parent] = this.elem[child];
                this.elem[child] = tmp;
                parent = child;
                child = 2*parent + 1;
            else
                break;
            
        
    

③建堆(建大堆为例)

下面我们给出一个数组,这个数组逻辑上可以看做一颗完全二叉树,但是还不是一个堆,现在我们通过算法,把它构 建成一个堆。根节点左右子树不是堆,我们怎么调整呢?这里我们从倒数的第一个非叶子节点的子树开始调整,一直 调整到根节点的树,就可以调整成堆。

//建大堆
    public void creatHeap(int[] array)
        for (int i = 0; i < array.length;i++)
            this.elem[i] = array[i];
            suedSize++;
        
        for (int parent = (array.length - 1 - 1) / 2;parent >= 0;parent--)
            adjustDown(parent,this.suedSize);
        
    

三,堆的应用-优先级队列

①概念

在很多应用中,我们通常需要按照优先级情况对待处理对象进行处理,比如首先处理优先级最高的对象,然后处理次 高的对象。最简单的一个例子就是,在手机上玩游戏的时候,如果有来电,那么系统应该优先处理打进来的电话。 在这种情况下,我们的数据结构应该提供两个最基本的操作,一个是返回最高优先级对象,一个是添加新的对象。这 种数据结构就是优先级队列(Priority Queue)

②内部原理

优先级队列的实现方式有很多,但最常见的是使用堆来构建。

③入队列

过程(以大堆为例):

1. 首先按尾插方式放入数组

2. 比较其和其双亲的值的大小,如果双亲的值大,则满足堆的性质,插入结束

3. 否则,交换其和双亲位置的值,重新进行 2、3 步骤 4. 直到根结点

public void adjustUp(int child)
        int parent = (child - 1) / 2;
        while(child>0)
            if(this.elem[child] > this.elem[parent])
                int tmp = this.elem[parent];
                this.elem[parent] = this.elem[child];
                this.elem[child] = tmp;
                child = parent;
                parent = (child - 1) / 2;
            else 
                break;
            
        
    
public void push(int val) 
        if (isFull()) 
            this.elem = Arrays.copyOf(this.elem, 2 * this.elem.length);
            this.elem[this.suedSize] = val;
            this.suedSize++;
            adjustUp(this.suedSize - 1);

        
    

④出队列(优先级最高)

为了防止破坏堆的结构,删除时并不是直接将堆顶元素删除,而是用数组的最后一个元素替换堆顶元素,然后通过向下调整方式重新调整成堆

 public boolean isEmpty()
        return this.suedSize == 0;
    
 public void pop()
        if(isEmpty())
            return;
        
        int tmp = this.elem[0];
        this.elem[0] = this.elem[this.suedSize-1];
        this.elem[this.suedSize-1] = tmp;
        this.suedSize--;
        adjustDown(0,this.suedSize);
    

⑤返回队首元素(优先级最高)

public int peek()
        if(isEmpty())
            return -1;
        
        return this.elem[0];
    
  public boolean isFull()
        return this.suedSize == this.elem.length;
    

四,堆排序

 /**
     * 一定是先创建大堆
     *      调整每棵树
     * 开始堆排序:
     *     先交换  后调整  直到 0下标
     */

    public void heapSort()
        int end = this.suedSize-1;
        while (end > 0)
            int tmp = this.elem[0];
            this.elem[0] = this.elem[end];
            this.elem[end] = tmp;
            adjustDown(0,end);
            end--;

        

    

以上是关于Java数据结构一文搞懂优先级队列(堆)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

数据结构 Java数据结构 ---- 堆(优先级队列)

Java集合与数据结构——优先级队列(堆)

堆和优先级队列2:java实现堆和优先级队列

Java集合与数据结构 优先级队列堆

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