python 堆和堆排序

簡介

堆是一種完全二叉樹抡柿,有最大堆和最小堆兩種蒋得。

  • 最大堆: 每個(gè)節(jié)點(diǎn)户辱,都比葉子節(jié)點(diǎn)大穷蛹,如:


  • 最小堆:和最大堆相反

堆的特性

堆是一種完全二叉樹铭污,具備二叉樹的特性:

  • 父節(jié)點(diǎn)下標(biāo):parent = int((i-1) / 2) # 取整
  • 左節(jié)點(diǎn)下標(biāo):left = 2 * i + 1
  • 右節(jié)點(diǎn)下標(biāo):right = 2 * i + 2

如:節(jié)點(diǎn)60的父節(jié)點(diǎn)下標(biāo)是1迫吐,本身節(jié)點(diǎn)下標(biāo)是3宰缤,左下標(biāo)7痊剖,右下標(biāo)8

堆的表示

堆可以用數(shù)組表示告丢,如
[10,7,2,5,1]

堆的python實(shí)現(xiàn)

class Array(object):

    def __init__(self, size=32):
        self._size = size
        self._items = [None] * size

    def __getitem__(self, index):
        return self._items[index]

    def __setitem__(self, index, value):
        self._items[index] = value

    def __len__(self):
        return self._size

    def clear(self, value=None):
        for i in range(len(self._items)):
            self._items[i] = value

    def __iter__(self):
        for item in self._items:
            yield item

class MaxHeap(object):

    def __init__(self, maxsize=None):
        self.maxsize = maxsize
        self._elements = Array(maxsize)
        self._count = 0

    def __len__(self):
        return self._count

    def add(self, value):
        if self._count >= self.maxsize:
            raise Exception('full')
        self._elements[self._count] = value
        self._count += 1
        self._siftup(self._count-1)  # 維持堆的特性

    def _siftup(self, ndx):
        if ndx > 0:
            parent = int((ndx-1)/2)
            if self._elements[ndx] > self._elements[parent]:    # 如果插入的值大于 parent枪蘑,一直交換
                self._elements[ndx], self._elements[parent] = self._elements[parent], self._elements[ndx]
                self._siftup(parent)    # 遞歸

    def extract(self):
        if self._count <= 0:
            raise Exception('empty')
        value = self._elements[0]    # 保存 root 值
        self._count -= 1
        self._elements[0] = self._elements[self._count]    # 最右下的節(jié)點(diǎn)放到root后siftDown
        self._siftdown(0)    # 維持堆特性
        return value

    def _siftdown(self, ndx):
        left = 2 * ndx + 1
        right = 2 * ndx + 2
        # determine which node contains the larger value
        largest = ndx
        if (left < self._count and     # 有左孩子
                self._elements[left] >= self._elements[largest] and
                self._elements[left] >= self._elements[right]):  # 原書這個(gè)地方?jīng)]寫實(shí)際上找的未必是largest
            largest = left
        elif right < self._count and self._elements[right] >= self._elements[largest]:
            largest = right
        if largest != ndx:
            self._elements[ndx], self._elements[largest] = self._elements[largest], self._elements[ndx]
            self._siftdown(largest)


def test_maxheap():
    import random
    n = 5
    h = MaxHeap(n)
    for i in range(n):
        h.add(i)
    for i in reversed(range(n)):
        assert i == h.extract()


def heapsort_reverse(array):
    length = len(array)
    maxheap = MaxHeap(length)
    for i in array:
        maxheap.add(i)
    res = []
    for i in range(length):
        res.append(maxheap.extract())
    return res


def test_heapsort_reverse():
    import random
    l = list(range(10))
    random.shuffle(l)
    assert heapsort_reverse(l) == sorted(l, reverse=True)


def heapsort_use_heapq(iterable):
    from heapq import heappush, heappop
    items = []
    for value in iterable:
        heappush(items, value)
    return [heappop(items) for i in range(len(items))]


def test_heapsort_use_heapq():
    import random
    l = list(range(10))
    random.shuffle(l)
    assert heapsort_use_heapq(l) == sorted(l)
  • Array 實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)組,用于填充堆數(shù)據(jù)
  • 實(shí)現(xiàn)一個(gè)最大堆MaxHeap
  • add方法用于增加堆節(jié)點(diǎn)時(shí)岖免,每次增加后會(huì)調(diào)用_siftup進(jìn)行調(diào)整岳颇。
  • _siftup傳入增加節(jié)點(diǎn)的最后一個(gè)下標(biāo)作為參數(shù),這個(gè)節(jié)點(diǎn)的值與父節(jié)點(diǎn)對比颅湘,根據(jù)堆性質(zhì)看是否需要交換话侧。
  • extract提取最大值,并_siftdown進(jìn)行重整闯参,維持堆特性瞻鹏。
  • _siftdown進(jìn)行比較,交換鹿寨,遞歸之新博。

python heapd模塊

python自帶的內(nèi)置heapd模塊,用于實(shí)現(xiàn)堆的相關(guān)操作脚草。

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
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