Java集合总结(三):堆与优先级队列

满二叉树:满二叉树是指,除了最后一层外,每个节点都有两个孩子,而最后一层都是叶子节点,都没有孩子。

完全二叉树:完全二叉树不要求最后一层是满的,但如果不满,则要求所有节点必须集中在最左边,从左到右是连续的,中间不能有空的。

一个特性:给定任意一个节点,可以根据其编号直接快速计算出其父节点和孩子节点编号,如果编号为i,则父节点编号即为i/2,左孩子编号即为2*i,右孩子编号即为2*i+1。比如,对于5号节点,父节点为5/2即2,左孩子为2*5即10,右孩子为2*5+1即11。

上述特性使得逻辑概念上的二叉树可以方便的存储到数组中,数组中的元素索引就对应节点的编号,树中的父子关系通过其索引关系隐含维持,不需要单独保持。

排序二叉树:排序二叉树是完全有序的,每个节点都有确定的前驱和后继,而且不能有重复元素。

逻辑概念上是一颗完全二叉树,而物理存储上使用数组。与排序二叉树不同,在堆中,可以有重复元素,元素间不是完全有序的,但对于父子节点之间,有一定的顺序要求,根据顺序分为两种堆:

    • 最大堆:每个节点都不大于其父节点。这样,对每个父节点,一定不小于其所有孩子节点,而根节点就是所有节点中最大的,对每个子树,子树的根也是子树所有节点中最大的。
    • 最小堆:与最大堆正好相反,每个节点都不小于其父节点。这样,对每个父节点,一定不大于其所有孩子节点,而根节点就是所有节点中最小的,对每个子树,子树的根也是子树所有节点中最小的。

PriorityQueue
优先级队列,内部使用堆实现,非完全排序但输出有序。

使用数组作为堆的存储,默认数组大小为11,可以手动指定初始化大小,扩容策略是每次增加到原来的1.5倍。

元素要么实现comparable接口要么传入一个比较器comparator。
实现了Queue接口,有优先级,内部是用堆实现的,这决定了它有如下特点:

  • 实现了优先级队列,最先出队的总是优先级最高的,即排序中的第一个。
  • 优先级可以有相同的,内部元素不是完全有序的,如果遍历输出,除了第一个,其他没有特定顺序。
  • 查看头部元素的效率很高,为O(1),入队、出队效率比较高,为O(log2(N)),构建堆heapify的效率为O(N)。
  • 根据值查找和删除元素的效率比较低,为O(N)。

可以看做是一种比较通用的实现了堆的性质的数据结构,可以用PriorityQueue来解决适合用堆解决的问题

PriorityQueue应用:
1、前K个最大元素:
  维护一个长度为k的数组,用最小堆实现,每来一个和堆顶的值作比较,小于等于则舍弃,大于则替换原来的堆顶,然后调整堆;

2、求中值(不断入队,故排序不可用):

  • 维护两个堆,一个最大堆,一个最小堆
  • 假设当前的中位数为m,最大堆维护的是<=m的元素,最小堆维护的是>=m的元素,但两个堆都不包含m。
  • 当新的元素到达时,比如为e,将e与m进行比较,若e<=m,则将其加入到最大堆中,否则将其加入到最小堆中。
  • 第二步后,如果此时最小堆和最大堆的元素个数的差值>=2 ,则将m加入到元素个数少的堆中,然后从元素个数多的堆将根节点移除并赋值给m。

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