堆排序

堆排序

堆是一種完全二叉樹結(jié)構(gòu)毯欣,完全二叉樹就是一種滿二叉樹或者正在變滿的結(jié)構(gòu)。

image-20210225134323949.png

堆分為大根堆和小根堆泉懦,大小的意思是指任意子樹的頭節(jié)點都是這棵子樹中最大或者最小的值的意思蝇刀。

堆結(jié)構(gòu)的維護依賴兩個重要的算法

heapInsert:將一個節(jié)點插入一個已經(jīng)維護好的堆結(jié)構(gòu)中,使其依然是一個堆結(jié)構(gòu)直焙。

heapify(index):一個堆中除了index位置之外的其他地方都符合堆的定義景东,index節(jié)點向下沉,找到自己的位置使得堆結(jié)構(gòu)形成奔誓。

java實現(xiàn)堆結(jié)構(gòu)

public class Heap<T> {
    private int size;
    private ArrayList<T> elementData = new ArrayList<>();
    private Comparator<? super T> comparator;

    public Heap(int initialSize) {
        elementData = new ArrayList<>(initialSize);
    }

    public Heap() {
    }

    public Heap(Comparator<? super T> comparator) {
        this.comparator = comparator;
    }

    private void swap(int aIdx, int bIdx) {
        T temp = elementData.get(aIdx);
        elementData.set(aIdx, elementData.get(bIdx));
        elementData.set(bIdx, temp);
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    private int compare(T a, T b) {
        int result;
        if (comparator != null) {
            result = comparator.compare(a, b);
        } else {
            result = ((Comparable<T>) a).compareTo(b);
        }
        return result;
    }

    private void heapInsert(int index) {
        int fatherIdx;
        //找到父親斤吐,如果自己優(yōu)先則交換
        while (compare(elementData.get(index), elementData.get(fatherIdx = (index - 1) / 2)) < 0) {
            swap(index, fatherIdx);
            index = fatherIdx;
        }
    }

    private void heapify(int index) {
        if (index < 0) return;
        //首先得有左孩子,一個孩子都沒有不用往下找了
        int leftChild;
        while ((leftChild = (index << 1) | 1) < size) {//index*2+1
            int largest = leftChild + 1 < size && compare(elementData.get(leftChild + 1), elementData.get(leftChild)) < 0 ? leftChild + 1 : leftChild;
            largest = compare(elementData.get(index), elementData.get(largest)) < 0 ? index : largest;
            if (largest == index) {
                break;
            }
            swap(index, largest);
            index = largest;
        }

    }

    public void add(T value) {
        elementData.add(value);
        heapInsert(++size - 1);
    }

    public T poll() {
        if (size <= 0) throw new RuntimeException("no more ele...");
        final T result = elementData.get(0);
        swap(0, size - 1);
        elementData.set(size-- - 1, null);//let't GC to work
        heapify(0);
        return result;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }
}

堆排序的思想就是利用堆的結(jié)構(gòu)特性厨喂,它的頂上的值為最小或者是最大值和措,看你是什么堆。然后將一個數(shù)組形成堆結(jié)構(gòu)后不斷地彈出堆頂放到最后蜕煌,堆size減少到0的時候就是有序的了派阱。

java實現(xiàn)HeapSort

public static void heapSort(int[] ary) {
        //變成堆
        int heapSize = ary.length;
        //1.法一:全部heapInsert,時間復(fù)雜度O(N*logN)
//        for (int i = 0; i < ary.length; i++) {
//            heapInsert(ary, i);
//        }
        //2.法二:從后面開始heapify,時間復(fù)雜度O(N)
        for(int i = heapSize;i >= 0;i--)
            heapify(ary,i,heapSize);
        //大根堆斜纪,對頂元素最大
        while (heapSize>0) {
            swap(ary, 0, --heapSize);
            heapify(ary, 0, heapSize);
        }
    }

    public static void heapify(int[] ary, int index, int heapSize) {
        int leftChild;
        while ((leftChild = (index << 1) | 1) < heapSize) {
            int largest = leftChild + 1 < heapSize && ary[leftChild + 1] > ary[leftChild] ? leftChild + 1 : leftChild;
            largest = ary[largest] > ary[index] ? largest : index;
            if (index == largest) break;
            swap(ary, largest, index);
            index = largest;
        }
    }

    public static void heapInsert(int[] ary, int index) {
        int fatherIdx;
        while (ary[index] > ary[(fatherIdx = (index - 1) / 2)]) {
            swap(ary, index, fatherIdx);
            index = fatherIdx;
        }

    }

    public static void swap(int[] ary, int aIdx, int bIdx) {
        int temp = ary[aIdx];
        ary[aIdx] = ary[bIdx];
        ary[bIdx] = temp;
    }

    public static int[] copyArray(int[] origin) {
        if (origin == null) return null;
        int[] newArray = new int[origin.length];
        for (int i = 0; i < origin.length; i++)
            newArray[i] = origin[i];
        return newArray;
    }

    public static boolean isEqlArray(int[] arrA, int[] arrB) {
        if (arrA == arrB) return true;
        if (arrA == null || arrB == null) return false;
        if (arrA.length != arrB.length) return false;
        for (int i = 0; i < arrA.length; i++)
            if (arrA[i] != arrB[i]) return false;
        return true;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int maxSize = 10, maxValue = 100, times = 1000000;
        int i = 0;
        for (; i < times; i++) {
            int[] nums = MathUtil.generalRandomArray(maxSize, maxValue);
            int[] cpyNums = copyArray(nums);
            heapSort(nums);
            Arrays.sort(cpyNums);
            if (!isEqlArray(nums, cpyNums)) {
                Logger.getGlobal().info(Arrays.toString(nums));
                Logger.getGlobal().info(Arrays.toString(cpyNums));
                break;
            }
        }
        Logger.getGlobal().info(i == times ? "finish" : "fucking");
        Heap<Integer> heap = new Heap<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o2-o1;
            }
        });
        heap.add(3);
        heap.add(4);
        heap.add(2);
        heap.add(1);
        System.out.println(heap.poll());
        System.out.println(heap.poll());
        System.out.println(heap.poll());
        System.out.println(heap.poll());
    }

數(shù)組形成堆有兩種方法贫母,一個是從最后一個元素開始做heapify,一個是從第一個元素開始做heapInsert盒刚,為什么heapify的時間復(fù)雜度為O(N)比起heapInsert要好呢腺劣?

因為一個樹中大量的元素是聚集在底部的,所以若是大量的元素進行heapify后移動的少那么時間復(fù)雜度就會低因块。這個會減少常數(shù)項時間橘原,兩種方式最終堆排序的時間復(fù)雜度都是O(N*logN),因為后面彈出堆頂每次彈完后進行一個heapify,這個時間復(fù)雜度無法優(yōu)化肯定是O(N*logN)

java代碼實現(xiàn)

public static void heapSort(int[] ary) {
        //變成堆
        int heapSize = ary.length;
        //1.法一:全部heapInsert趾断,時間復(fù)雜度O(N*logN)
        for (int i = 0; i < ary.length; i++) {
            heapInsert(ary, i);
        }
        //2.法二:從后面開始heapify,時間復(fù)雜度O(N)
//        for(int i = heapSize;i >= 0;i--)
//            heapify(ary,i,heapSize);
        //大根堆拒名,對頂元素最大
        while (heapSize>0) {
            swap(ary, 0, --heapSize);
            heapify(ary, 0, heapSize);
        }
    }

    public static void heapify(int[] ary, int index, int heapSize) {
        int leftChild;
        while ((leftChild = (index << 1) | 1) < heapSize) {
            int largest = leftChild + 1 < heapSize && ary[leftChild + 1] > ary[leftChild] ? leftChild + 1 : leftChild;
            largest = ary[largest] > ary[index] ? largest : index;
            if (index == largest) break;
            swap(ary, largest, index);
            index = largest;
        }
    }

    public static void heapInsert(int[] ary, int index) {
        int fatherIdx;
        while (ary[index] > ary[(fatherIdx = (index - 1) / 2)]) {
            swap(ary, index, fatherIdx);
            index = fatherIdx;
        }

    }

    public static void swap(int[] ary, int aIdx, int bIdx) {
        int temp = ary[aIdx];
        ary[aIdx] = ary[bIdx];
        ary[bIdx] = temp;
    }

    public static int[] copyArray(int[] origin) {
        if (origin == null) return null;
        int[] newArray = new int[origin.length];
        for (int i = 0; i < origin.length; i++)
            newArray[i] = origin[i];
        return newArray;
    }

    public static boolean isEqlArray(int[] arrA, int[] arrB) {
        if (arrA == arrB) return true;
        if (arrA == null || arrB == null) return false;
        if (arrA.length != arrB.length) return false;
        for (int i = 0; i < arrA.length; i++)
            if (arrA[i] != arrB[i]) return false;
        return true;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int maxSize = 10000000, maxValue = 100, times = 1;
        int i = 0;
        for (; i < times; i++) {
            int[] nums = MathUtil.generalRandomArray(maxSize, maxValue);
            int[] cpyNums = copyArray(nums);
            heapSort(nums);
            Arrays.sort(cpyNums);
            if (!isEqlArray(nums, cpyNums)) {
                Logger.getGlobal().info(Arrays.toString(nums));
                Logger.getGlobal().info(Arrays.toString(cpyNums));
                break;
            }
        }
        Logger.getGlobal().info(i == times ? "finish" : "fucking");
        Heap<Integer> heap = new Heap<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o2-o1;
            }
        });
    }
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