堆的應(yīng)用:盘铮客網(wǎng)-求最小的K個數(shù)

題目

求最小的k個數(shù)
給定一個數(shù)組,找出其中最小的K個數(shù)下面。例如數(shù)組元素是4,5,1,6,2,7,3,8這8個數(shù)字复颈,則最小的4個數(shù)字是1,2,3,4。如果K>數(shù)組的長度沥割,那么返回一個空的數(shù)組

輸入

[4,5,1,6,2,7,3,8],4
輸出
[1,2,3,4]

分析

這是一個典型的堆應(yīng)用問題耗啦,可以使用大頂堆來解決這個問題

  1. 拿輸入數(shù)組的前K個數(shù),來構(gòu)建一個大頂堆
  2. 遍歷數(shù)組机杜,更新大頂堆
  3. 堆排序芹彬,輸出有序數(shù)組

源碼

import java.util.ArrayList;

public class Solution {
    public ArrayList<Integer> GetLeastNumbers_Solution(int[] input, int k) {
        if (k == 0 || input == null || k > input.length) {
            return new ArrayList<Integer>();
        } else {
            int[] heap = new int[k + 1];
            for (int i = 0; i < k; i++) {
                heap[i + 1] = input[i];
            }
            //初始化大頂堆
            heap(k, heap);
            //更新大頂堆
            for (int i = k; i < input.length; i++) {
                if (input[i] < heap[1]) {
                    heap[1] = input[i];
                    heapFromTop(1, k, heap);
                }
            }
            System.out.print("heap:");
            for (int i = 1; i <= k; i++) {
                System.out.print(heap[i] + ",");
            }
            System.out.println("");
            //堆排序
            ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
            for (int num = k; num >= 1; num--) {
                list.add(0, heap[1]);
                heap[1] = heap[num];
                heapFromTop(1, num, heap);
            }
            return list;
        }
    }

    private static void heap(int k, int[] heap) {
        for (int i = k / 2; i >= 1; i--) {
            int left = i * 2;
            int right = i * 2 + 1;
            int tempIndex;
            if (right > k) {
                tempIndex = left;
            } else {
                tempIndex = heap[left] > heap[right] ? left : right;
            }
            if (heap[tempIndex] > heap[i]) {
                int temp = heap[tempIndex];
                heap[tempIndex] = heap[i];
                heap[i] = temp;
                heapFromTop(tempIndex, k, heap);
            }
        }
    }

    private static void heapFromTop(int top, int k, int[] heap) {
        for (int l = top; l <= k / 2; l++) {
            int left = l * 2;
            int right = l * 2 + 1;
            int tempIndex;
            if (right > k) {
                tempIndex = left;
            } else {
                tempIndex = heap[left] > heap[right] ? left : right;
            }
            if (heap[tempIndex] > heap[l]) {
                int temp = heap[tempIndex];
                heap[tempIndex] = heap[l];
                heap[l] = temp;
            } else {
                break;
            }
        }
    }
}

堆的知識

  1. 堆的定義:堆是一顆每個節(jié)點(diǎn)的左右孩子都小于(小頂堆)或者大于(大頂堆)根節(jié)點(diǎn)的完全二叉樹;
  2. 堆的存儲:由于是一顆完全二叉樹叉庐,所以適合使用數(shù)組來存儲,一般將堆頂元素存儲在數(shù)組的下標(biāo)為1的位置会喝,這樣第i個節(jié)點(diǎn)的左右孩子的位置就是:i*2陡叠,i*2+1玩郊;最后一顆葉子節(jié)點(diǎn)的位置是:size/2。
  3. 初始化堆:從最后一顆非葉子節(jié)點(diǎn)開始自底向上堆化枉阵,如果有節(jié)點(diǎn)交換译红,則對子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自頂向下堆化
 private static void heap(int k, int[] heap) {
        for (int i = k / 2; i >= 1; i--) {
            int left = i * 2;
            int right = i * 2 + 1;
            int tempIndex;
            if (right > k) {
                tempIndex = left;
            } else {
                tempIndex = heap[left] > heap[right] ? left : right;
            }
            if (heap[tempIndex] > heap[i]) {
                int temp = heap[tempIndex];
                heap[tempIndex] = heap[i];
                heap[i] = temp;
                heapFromTop(tempIndex, k, heap);
            }
        }
    }

 private static void heapFromTop(int top, int k, int[] heap) {
        for (int l = top; l <= k / 2; l++) {
            int left = l * 2;
            int right = l * 2 + 1;
            int tempIndex;
            if (right > k) {
                tempIndex = left;
            } else {
                tempIndex = heap[left] > heap[right] ? left : right;
            }
            if (heap[tempIndex] > heap[l]) {
                int temp = heap[tempIndex];
                heap[tempIndex] = heap[l];
                heap[l] = temp;
            } else {
                break;
            }
        }
    }
  1. 更新堆:替換堆頂元素,然后自頂向下堆化
 heap[1] = input[i];
 heapFromTop(1, k, heap);
  1. 堆排序:堆頂元素有序兴溜,先獲取堆頂元素侦厚,然后用最后一個節(jié)點(diǎn)的元素替換堆頂元素,堆大小-1拙徽,自頂向下堆化刨沦,再次獲取堆頂元素,直到堆中只有一個元素
 ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
  for (int num = k; num >= 1; num--) {
            list.add(0, heap[1]);
            heap[1] = heap[num];
            heapFromTop(1, num, heap);
   }
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