首页 > 文章列表 > Java数据结构中的堆怎么应用

Java数据结构中的堆怎么应用

java
323 2023-05-01

Java数据结构中的堆怎么应用

一、堆的创建

1、向下调整(以小堆为例)  

让parent标记需要调整的节点,child标记parent的左孩子(注意:parent如果有孩子一定先是有左孩子)

如果parent的左孩子存在,即:child < size, 进行以下操作,直到parent的左孩子不存在:

  • parent右孩子是否存在,存在找到左右孩子中最小的孩子,让child进行标记

  • 将parent与较小的孩子child比较,如果:

parent小于较小的孩子child,调整结束否则:交换parent与较小的孩子child,交换完成之后,parent中大的元素向下移动,可能导致子树不满足堆的性质,因此需要继续向下调整,即parent = child;child = parent*2+1; 然后继续2。

public void shiftDown(int[] elem,int parent,int len){

        int cur=parent*2+1;

        while(cur<len){

           if(cur+1<len){

               if(elem[cur+1]<elem[cur]){

                   cur++;

               }

           }

            if(this.elem[cur]<this.elem[parent]) {

                swap(cur, parent);

            }

            parent=cur;

            cur=parent*2+1;

        }

    }

2、创建堆

对于普通序列,我们需要从它的第一个有左节点的父节点开始调整,知道整棵树满足堆的性质。

3、创建堆的时间复杂度

堆必须是完全二叉树,满二叉树也是完全二叉树。由下面的计算,创建堆的时间复杂度为O(n).

 二、堆的插入和删除

1、堆的插入

  • 将要插入的元素放在堆的最后,如果放不了,进行扩容

  • 将新插入的节点向上调整,直到满足堆的性质

 【向上调整】

public void shiftUp(int elem[],int child){

        int parent=(child-1)/2;

        while(parent>=0){

            if(elem[child]>elem[parent]){

                swap(child,parent);

                child=parent;

                parent=(child-1)/2;

            }else{

                break;

            }

        }

    }

2、堆的删除

根据堆的性质,对删除的一定是堆顶元素。步骤如下:

  • 将堆顶元素和最后一个元素交换

  • 堆的元素个数减一

  • 对堆顶元素进行向下调整

 三、堆的应用

1、堆排序

升序:创建大根堆

降序:创建小根堆

交换堆顶元素和堆得最后一个元素,进行向下调整,直到堆有序。

2、top-k问题 【求最小的K个数】

top-k问题:求数据集合中前k个大或者小的元素,一般数据量都比较大。

class Solution {

    public int[] smallestK(int[] arr, int k) {

        int[] array=new int[k];

        if(arr==null||arr.length<=k||k==0){

            return array;

        }

        PriorityQueue<Integer> queue=new PriorityQueue<>((a,b)->b-a);

        int i=0;

        for(;i<k;++i){

            queue.offer(arr[i]);

        }

        while(i<arr.length){

            if(arr[i]<queue.peek()){

                queue.poll();

                queue.offer(arr[i]);

            }

            i++;

        }

        int size=queue.size();

        for(int j=0;j<size;++j){

            array[j]=queue.poll();

        }

        return array;

    }

}

四、常用接口的介绍

1、PriorityQueue的特性

Java集合框架中提供了PriorityQueue和PriorityBlockingQueue两种类型的优先级队列。PriorityQueue是线程不安全的,PriorityBlockingQueue是线程安全的,本文主要介绍PriorityQueue。

【PriorityQueue】使用的注意事项:

  • 必须导入PeioriryQueue的包;

  • 放置的元素必须是能够比较大小的,否则会抛出ClassCastException异常;

  • 不能放置null元素,否则会抛出NullPointerException;

  • 可以插入任意多的元素,内部会自动扩容;

  • 底层使用了堆数据结构,默认是小堆。如果要构建大堆,则需要提供比较器。

PriorityQueue的扩容方式:

  • 如果容量小于64时,是按照oldCapacity的2倍方式扩容的

  • 如果容量大于等于64,是按照oldCapacity的1.5倍方式扩容的

  • 如果容量超过MAX_ARRAY_SIZE,按照MAX_ARRAY_SIZE来进行扩容

int newCapacity = oldCapacity + ((oldCapacity < 64) ?

                      (oldCapacity + 2) : 

                   (oldCapacity >> 1));

PriorityQueue采用了:Comparble和Comparator两种方式。

1. Comparble是默认的内部比较方式,如果用户插入自定义类型对象时,该类对象必须要实现Comparble接口,并覆写compareTo方法

2. 用户也可以选择使用比较器对象,如果用户插入自定义类型对象时,必须要提供一个比较器类,让该类实现Comparator接口并覆写compare方法

// 用户自己定义的比较器:直接实现Comparator接口,然后重写该接口中的compare方法即可

class IntCmp implements Comparator<Integer>{

   @Override

   public int compare(Integer o1, Integer o2) {

      return o2-o1;

   }

}

PriorityQueue<Integer> p = new PriorityQueue<>(new IntCmp());

2、优先级队列的构造

构造器功能介绍
PriorityQueue()创建一个空的优先级队列,默认容量是11
PriorityQueue(int

initialCapacity)
创建一个初始容量为initialCapacity的优先级队列,注意:

initialCapacity不能小于1,否则会抛IllegalArgumentException异

PriorityQueue(Collection<?

extends E> c)
用一个集合来创建优先级队列