使用 C 的 DSA - 堆
概述
堆表示一种特殊的基于树的数据结构,用于表示优先级队列或堆排序。我们将专门讨论二叉堆树。
二叉堆树可以归类为具有两个约束的二叉树 −
完整性 − 二叉堆树是一棵完整的二叉树,除了最后一级可能不包含所有元素,但从左到右的元素应该被填充。
堆性 − 所有父节点都应该大于或小于其子节点。如果父节点大于其子节点,则称为最大堆,否则称为最小堆。最大堆用于堆排序,最小堆用于优先级队列。我们正在考虑最小堆,并将使用数组实现。
基本操作
以下是最小堆的基本主要操作。
插入 − 在堆中插入一个元素。
获取最小值 − 从堆中获取最小元素。
删除最小值 − 从堆中删除最小元素
插入操作
每当要插入一个元素时。在数组末尾插入元素。将堆的大小增加 1。
当堆属性被破坏时,将元素堆积起来。将元素与父元素的值进行比较,并根据需要交换它们。
void insert(int value) { size++; intArray[size - 1] = value; heapUp(size - 1); } void heapUp(int nodeIndex){ int parentIndex, tmp; if (nodeIndex != 0) { parentIndex = getParentIndex(nodeIndex); if (intArray[parentIndex] > intArray[nodeIndex]) { tmp = intArray[parentIndex]; intArray[parentIndex] = intArray[nodeIndex]; intArray[nodeIndex] = tmp; heapUp(parentIndex); } } }
获取最小值
获取实现堆的数组的第一个元素作为根。
int getMinimum(){ return intArray[0]; }
删除最小值
每当要删除一个元素时。获取数组的最后一个元素并将堆大小减少 1。
当堆属性被破坏时,将元素向下堆。将元素与子元素的值进行比较,并在需要时交换它们。
void removeMin() { intArray[0] = intArray[size - 1]; size--; if (size > 0) heapDown(0); } void heapDown(int nodeIndex){ int leftChildIndex, rightChildIndex, minIndex, tmp; leftChildIndex = getLeftChildIndex(nodeIndex); rightChildIndex = getRightChildIndex(nodeIndex); if (rightChildIndex >= size) { if (leftChildIndex >= size) return; else minIndex = leftChildIndex; } else { if (intArray[leftChildIndex] <= intArray[rightChildIndex]) minIndex = leftChildIndex; else minIndex = rightChildIndex; } if (intArray[nodeIndex] > intArray[minIndex]) { tmp = intArray[minIndex]; intArray[minIndex] = intArray[nodeIndex]; intArray[nodeIndex] = tmp; heapDown(minIndex); } }
示例
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <stdbool.h> int intArray[10]; int size; bool isEmpty(){ return size == 0; } int getMinimum(){ return intArray[0]; } int getLeftChildIndex(int nodeIndex){ return 2*nodeIndex +1; } int getRightChildIndex(int nodeIndex){ return 2*nodeIndex +2; } int getParentIndex(int nodeIndex){ return (nodeIndex -1)/2; } bool isFull(){ return size == 10; } /** * 将新元素堆积起来,直到堆属性被破坏。 * 步骤: * 1. 将节点的值与父节点的值进行比较。 * 2. 如果顺序错误,则交换它们。 * */ void heapUp(int nodeIndex){ int parentIndex, tmp; if (nodeIndex != 0) { parentIndex = getParentIndex(nodeIndex); if (intArray[parentIndex] > intArray[nodeIndex]) { tmp = intArray[parentIndex]; intArray[parentIndex] = intArray[nodeIndex]; intArray[nodeIndex] = tmp; heapUp(parentIndex); } } } /** * 将值最小的根元素向下堆,直到堆属性被破坏。 * 步骤: * 1.如果当前节点没有子节点,则完成。 * 2.如果当前节点有一个子节点并且堆属性被破坏, * 3.交换当前节点和子节点并向下堆。 * 4.如果当前节点有一个子节点并且堆属性被破坏,则找到较小的一个 * 5.交换当前节点和子节点并向下堆。 * */ void heapDown(int nodeIndex){ int leftChildIndex, rightChildIndex, minIndex, tmp; leftChildIndex = getLeftChildIndex(nodeIndex); rightChildIndex = getRightChildIndex(nodeIndex); if (rightChildIndex >= size) { if (leftChildIndex >= size) return; else minIndex = leftChildIndex; } else { if (intArray[leftChildIndex] <= intArray[rightChildIndex]) minIndex = leftChildIndex; else minIndex = rightChildIndex; } if (intArray[nodeIndex] > intArray[minIndex]) { tmp = intArray[minIndex]; intArray[minIndex] = intArray[nodeIndex]; intArray[nodeIndex] = tmp; heapDown(minIndex); } } void insert(int value) { size++; intArray[size - 1] = value; heapUp(size - 1); } void removeMin() { intArray[0] = intArray[size - 1]; size--; if (size > 0) heapDown(0); } main() { /* 5 //Level 0 * */ insert(5); /* 1 //Level 0 * | * 5---| //Level 1 */ insert(1); /* 1 //Level 0 * | * 5---|---3 //Level 1 */ insert(3); /* 1 //Level 0 * | * 5---|---3 //Level 1 * | * 8--| //Level 2 */ insert(8); /* 1 //Level 0 * | * 5---|---3 //Level 1 * | * 8--|--9 //Level 2 */ insert(9); /* 1 //Level 0 * | * 5---|---3 //Level 1 * | | * 8--|--9 6--| //Level 2 */ insert(6); /* 1 //Level 0 * | * 5---|---2 //Level 1 * | | * 8--|--9 6--|--3 //Level 2 */ insert(2); printf("%d", getMinimum()); removeMin(); /* 2 //Level 0 * | * 5---|---3 //Level 1 * | | * 8--|--9 6--| //Level 2 */ printf(" %d", getMinimum()); }
如果我们编译并运行上述程序,则会产生以下结果 −
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