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理解二叉堆數據結構及Swift的堆排序算法實現示例

2020-03-09 17:48:00
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來源:轉載
供稿:網友

二叉堆的性質
1.二叉堆是一顆完全二叉樹,最后一層的葉子從左到右排列,其它的每一層都是滿的
2.最小堆父結點小于等于其每一個子結點的鍵值,最大堆則相反
3.每個結點的左子樹或者右子樹都是一個二叉堆
下面是一個最小堆:

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堆的存儲
通常堆是通過一維數組來實現的。在起始數組為 0 的情形中:
1.父節點i的左子節點在位置 (2*i+1);
2.父節點i的右子節點在位置 (2*i+2);
3.子節點i的父節點在位置 floor((i-1)/2);

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維持堆的性質
我們以最大堆來介紹(后續會分別給出最大堆和最小堆的實現).所謂維持堆得性質就是字面意思,也就是確保葉子節點和父節點的關系是堆得關系; 那么怎么維持呢?

這里我們是以某一個節點為起始點,調整其自身與子節點的關系,使得父節點總是大于子節點,處理完畢后遞歸操作調整后的節點;
我們來看一下具體的實現:

/*** 維護最大堆的性質*/func heapify(inout A:[Int], i:Int, size:Int) { var l = 2 * i var r = l + 1  var largest = i if l < size && A[l] > A[i] { largest = l }  if r < size && A[r] > A[largest] {    largest = r  }  if largest != i {    swap(&A, i, largest)    heapify(&A, largest, size)  }  }

有效代碼也就10行上下, 簡單解釋下,根據傳入的節點在數組內的索引,計算出左右子節點,然后比較比較子節點的值大小,將大的值對調為父節點的值,最后遞歸處理新節點;

構建堆
現在來看第二步,也就是構建一個堆。我們的輸入數據源是一個以為數組,需要通過構建,將其以堆的性質加以調整; 我們來看一下具體的實現:

/*** 構建最大堆*/func buildHeap(inout A:[Int]) {  for var i = A.count/2; i >= 0; i-- {    heapify(&A, i, A.count)  }  println("build heap:/(A)")}

簡單解釋下,根據上一步已經得到的維護堆性質的函數,我們隊數組內的所有非葉子節點遍歷,針對每個節點都做一遍堆處理,最后得到的就是一個完整的堆; 可能不理解的騷年會問了,為什么數組遍歷不是全量的,而是[A.count/2, 0]?
這個問題,我想最好的的答案是你畫一個二叉樹,一眼就能明白,這棵樹中非葉子節點的索引就是count/2;

堆排序

現在重溫一下,這個經典的堆排序是怎么實現的。
以算法導論中對堆排序的介紹,可以簡單的歸結為三句話:
1.維持堆的性質
2.構建堆
3.堆排序
好,終于到了見證奇跡的時刻,我們把數組排個序輸出一下。

/***堆排序*/func heapSort(inout A:[Int]) {  buildHeap(&A)  var size = A.count  for var i = A.count - 1; i >= 1; i-- {    swap(&A, i, 0)    size--    heapify(&A, 0, size)  }  println("sorted heap:/(A)")}

這里呢,需要注意的地方就是每次得到最大值后,我們需要把問題的解規模減小,因為我們是原址排序,實際上是把一維數組分為了未排序的堆和已排序的數組兩部分,已排序的部分放在數組尾部;

驗證一下
隨便搞個數組,我們排個隊

var A = [4, 1, 3, 2, 16, 9,9, 10, 14, 8, 7]heapSort(&A)avens-MacBook-Pro:aven$ ./max-heap-sort.swift build heap:[16, 14, 9, 10, 8, 7, 9, 2, 3, 1, 4]sorted heap:[1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 9, 10, 14, 16]

小結
上面我們已經完成了最大堆的算法的編碼,最小堆也是類似的; 算法這東西如果能理解的話寫起來就不太難,所以一定要對理論有所了解,真正理解了算法思路才能吧思路寫成代碼。


注:相關教程知識閱讀請移步到swift教程頻道。
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