算法学习:堆

基本概念

堆(Heap)是一种基于完全二叉树的数据结构,用于维护一些元素集合中的最大值或最小值。

完全二叉树:除了最后一层,其他层的节点个数都是满的,最后一层的节点都集中在左部连续位置;

堆中每一个节点的值都必须大于等于(或小于等于)其左右子节点的值;
每个节点都大于等于其子树节点的堆叫“大顶堆“,根是最大值;
每个节点都小于等于其子树节点的堆叫“小顶堆“,根是最小值。


堆的存储表示

因为堆是一种完全二叉树,我们可以用数组来表示它。


并且具有以下规律:

  • i 结点的父结点 par = floor((i-1)/2) 「向下取整」;
  • i 结点的左子结点 2 * i +1;
  • i 结点的右子结点 2 * i + 2

堆的操作

1.堆化

在插入或删除操作后需要进行调整,让其重新满足堆的特性,这个调整的过程叫做堆化(heapify)。

  • 从下往上的堆化(上浮)
    当前元素不断向上和父节点比较大小;例如,如果是大顶堆,当前元素比父节点大,交换。
  • 从上往下的堆化(下沉)
    当前元素不断向下和两个孩子节点比较大小;例如,如果是大顶堆,当前元素与子节点中较大的比,比子节点小交换。
2.插入元素

插入操作是将新元素插入到堆的末尾,然后通过上浮操作将其移动到正确的位置,时间复杂度是O(log n)。


3.删除堆顶元素

删除操作是将堆顶元素删除,并将堆的最后一个元素移动到堆顶,然后通过下滤操作将其移动到正确的位置,时间复杂度是O(log n)。

4.获取最大值/最小值

获取最值操作则是返回堆顶元素的值,而不删除它,时间复杂度O(1)。

参考资料

数据结构与算法之 —— 堆(Heap)和堆排序
算法技巧-大小根堆(Max/Min Heap)

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