数据结构——优先级队列和堆

目录

一、堆

1.概念

2.堆的存储方式

3.性质

4.模拟实现堆（以小根堆为例）

（1）.堆的调整

（2）.堆的创建

（3）.建堆的时间复杂度

（4）.堆的插入和删除

5.堆的应用

（1）.PriorityQueue的实现

（2）.堆排序

（3）.Top-k问题

二、优先级队列

1.概念

2.PriorityQueue详解

（1）.常用接口 

（2）.PriorityQueue的构造方法

（3）.常用函数

（4）.扩容

（5）.注意

三、优先队列（PriorityQueue）和堆（Heap）的区别

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一、堆

1.概念

一堆元素集合k={k0,k1...k(n-1)}，把所有元素按照完全二叉树的顺序存储方式，存储在一个一维数组中，并且满足ki<=k(2i+1)且ki<=k(2i+2)，则称为小堆（反之则为大堆）。
因此在堆的数据结构中，我们将根节点最大的堆称为大根堆或最大堆，将根节点最小的堆称为小根堆或最小堆 。

2.堆的存储方式

堆是一棵完全二叉树，因此可以像层序遍历一样采用顺序存储的方式来存储，更加高效。

注意：对于非完全二叉树则不适合使用顺序存储的方式。在还原二叉树时，空间中需要存储空节点，这会导致空间利用率降低

3.性质

（1）.小根堆中某个节点的值总是不小于其父节点的值，大根堆中某个节点的值总是不大于其父节点的值。

（2）.堆总是一棵完全二叉树。

4.模拟实现堆（以小根堆为例）

（1）.堆的调整

【1】.向下调整

1.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）

2.如果parent的左孩子存在（child     （1）.parent右孩子是否存在，存在找到左右孩子中的最小值，让child进行标记
    （2）.将parent与较小的孩子child进行比较
        【1】.parent小于较小的孩子child时，结束调整
        【2】.parent大于较小的孩子child时，交换parent与child的值。此时可能并不正确，因此需要继续向下调整，即parent=child；child=parent*2+1；然后重复上述过程

public void shiftDown(int parent,int len){
	int child=2*parent+1;
	while(child

注意：在整个向下调整的过程中时间复杂度为O (log2N).

【2】.向上调整

1.让child标记需要调整的节点，然后找到child的双亲节点parent。

2.如果双亲节点parent存在（chid>0），则进行以下操作直到双亲节点不存在

    （1）.将双亲节点与孩子节点进行交换
        【1】.如果双亲节点比孩子节点小，parent满足堆的性质，调整结束
        【2】.双亲节点大于孩子节点时，交换parent与child的值。此时可能并不正确，因此需要继续向上调整，即child=parent; parent=(child-1)/2; 然后重复上述过程。

public void shiftUp(int child){
	int parent =(child-1)/2;
	while(child>0){
		if(elem[parent]>elem[child]){
			break;
		}else{
			int tmp=elem[parent];
			elem[parent]=elem[child];
			elem[child]=tmp;
			child=parent;
			parent=(child-1)/2;
		}
	}
}

 注意：在整个向上调整的过程中时间复杂度为O (N).

（2）.堆的创建

public class Heap{
	public int[] elem;
	public int usedSize;
	public Heap(){
		this.elem=new int[10];
	}
	public void initElem(int[] arr){
		for(int i=0;i=0;parent--){
			shiftDown(parent,usedSize);
		}
	}
}

（3）.建堆的时间复杂度

注意：因为堆是完全二叉树，而满二叉树也是完全二叉树，因此简化为满二叉树来证明。

（4）.堆的插入和删除

注意：堆的插入和删除时间复杂度均为O（log2N）

【1】.堆的插入

步骤：
    1.将元素放到最后一个元素后边，空间不够时需要扩容。
    2.将最后新插入的节点向上调整，直到满足要求。

public void push(int val){
	if(isFull()){
		elem=Arrays.copyOf(elem,2*elem.length);
	}
	elem[usedSize++]=val;
	shiftUp(usedSize-1);
}
public boolean isFull(){
    return usedSize==elem.length;
}

【2】.堆的删除

步骤：
    1.将堆顶元素与堆中最后一个元素交换。
    2.将堆中元素有效数据个数减少一个。
    3.对堆顶元素进行向下调整。

public void pop(){
	if(isEmpty()){
		return;
	}
	int tmp=elem[0];
	elem[0]=elem[usedSize-1];
    	elem[usedSize-1]=tmp;
	usedSize--;
	shiftDown(0,usedSize);
}
public boolean isEmpty(){
	return usedSize==0;
}

5.堆的应用

（1）.PriorityQueue的实现

用堆作为底层结构封装优先级队列

（2）.堆排序

堆排序是利用堆的思想进行排序，首先需要建一个堆，升序排序建大堆，降序排序建小堆；其次利用堆删除思想来进行排序

public void HeapSort(){
	int end=usdSize-1;
	while(end>0){
		swap(elem,0,end);
		shiftDown(0,end);
		end--;
	}
}

（3）.Top-k问题

求数据集合中前K个最大的元素或最小的元素，一般情况下数据量比较大，普通排序就不可取，因此我们就需要用到堆来排序。

首先用数据集合中前K个元素建堆（求K个最大元素：建小堆；求K个最小元素：建大堆）；然后用剩余的N-K个元素依次与堆顶元素比较，堆顶元素不满足则替换。

二、优先级队列

1.概念

队列是一种先进先出的数据结构，但有时操作的数据会带有优先级，所以在出队列时可能需要优先级较高的的元素先出队列。因此数据结构需要提供：返回最高优先级对象和添加新对象这两个基本操作，这种数据结构就是优先级队列。

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，而PriorityBlockingQueue是线程安全的，本文重点讲解PriorityQueue。

2.PriorityQueue详解

（1）.常用接口 

（2）.PriorityQueue的构造方法

【1】.PriorityQueue()：创建一个空的优先级队列，默认容量是11

PriorityQueue priorityqueue = new PriorityQueue<>();

【2】.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，否则会抛出IllegalArgumentException异常

PriorityQueue priorityqueue = new PriorityQueue<>(100);

【3】.PriorityQueue(Collection c) 用一个集合来创建优先级队列

ArrayList arraylist = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
PriorityQueue priorityqueue = new PriorityQueue<>(arraylist);

（3）.常用函数

boolean offer(E e)

插入元素e，插入成功返回true，如果e对象为空，抛出NullPointerException异常，时间复杂度 ，注意：空间不够时候会进行扩容。

E peek()

获取优先级最高的元素，如果优先级队列为空，返回null

E poll()

移除优先级最高的元素并返回，如果优先级队列为空，返回null

int size()

获取有效元素的个数

void clear()

清空

boolean isEmpty()

检测优先级队列是否为空，空返回true

（4）.扩容

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。

（5）.注意

【1】.PriorityQueue中放置的元素必须要能比较大小，不能插入无法比较大小的，否则会抛出ClassCastException异常

【2】.不能插入null对象，否则会抛出NullPointerException

【3】.没有容量限制，可以插入任意多个元素，其内部可以自动扩容

【4】.插入和删除元素的时间复杂度为O（log2N）

【5】.PriorityQueue底层使用了堆数据结构

【6】.PriorityQueue默认是小堆，如果需要大堆需要用户提供比较器

// 自定义比较器：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{
	@Override
	public int compare(Integer o1, Integer o2) {
		return o2-o1;
	}
}

三、优先队列（PriorityQueue）和堆（Heap）的区别

优先队列：是一种特殊的队列

堆：是一个很大的概念并不一定是完全二叉树，在前文中使用完全二叉树是因为这个很容易被数组储存，所以大部分我们用完全二叉树（数组）来储存堆，但是除了这种二叉堆之外我们还有二项堆、 斐波那契堆等这些堆就不属于二叉树。

优先对列和堆有什么区别呢？这里说的堆默认是我们最常使用的二叉堆，而二叉堆只是优先队列的一种是实现方式而已。而优先队列还有二项堆、平衡树、线段树等来实现。所以说优先队列和堆不是一个概念，如果非要说他们之间的关系就是：二叉堆只是优先队列的一种实现方式，而java的PriorityQueue也是基于这个实现的。