《编程珠玑》代码之路19:堆的概念和隐式堆实现

堆是用来表示元素集合的一种数据结构,它有两个性质(大顶堆和小顶堆差异就一个符号,本文不详细讨论):

1:任何节点都小于或等于其子节点的值。

2:最多在最后一层和倒数第二层才有叶节点,而且尽可能靠左侧分布。

以上的性质,使得堆可以实现logn级别的插入和删除操作,查询最小值同样也是logn。

那么一个堆如何实现呢,单纯用指针实现肯定不是一成不变的选择,因为堆特殊的性质决定了堆是比较完全的树,用左右指针的方式实现,存储效率和访问效率一定不是最高的。

我们观察一下下面这个堆:

x[1]代表根节点,如果给每个节点这么按层次编号的话,会发现这棵树用数组存储并不会造成太大空间浪费,而且,如果从数组从1计数(从0也可以)的话,左子树的编号就是i*2,右子树的编号就是i*2 + 1,也就是说我们可以很容易的用数组把堆存储成隐式堆。

代码定义如下:

int root = 1;
value(i) = x[i];
leftChild(i) = i *2;
rightChild(i) = i * 2 + 1;
parent(i) = i / 2;
numm(i) = (i < 1) || (i > n);

堆有两个常见的操作,就是从最顶端和最低端改变一个数,改变之后除了这两个位置,其他位置依然符合堆的定义,当改变顶端的状态时,需要向下调整,当改变底端的状态时需要向上调整,使得整棵树恢复到堆的状态。

向上调整的过程我们定义为siftup(n):n代表修改元素的下标:

代码如下:

int siftUp(int n){

	int i = n;
	while (i > 1){
		int pos = i / 2;
		if (x[pos] <= x[i]){
			break;
		}

		swap(x[pos], x[i]);
		i = pos
	}

	return 0;
}

向下调整的过程我们定义为siftdown(n),代码如下:

int siftDown(int n){
	int i = n;
	while (1){

		int c = 2 * i;
		if (c > n){
			break;
		}

		if (c + 1 <= n){
			if (x[c + 1] < x[c]){
				c++;
			}
		}

		if (x[i] <= x[c]){
			break;
		}

		swap(x[i], x[c]);
		i = c;
	}

}

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