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二叉堆

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二叉堆
类型二元树/堆
发明时间1964年
发明者J·W·J·威廉斯英语J. W. J. Williams
大O符号表示的时间复杂度
算法 平均 最差
空间
搜索
插入
寻找最小值
删除最小值

二叉堆(英语:Binary heap)是一种特殊的,二叉堆是完全二叉树或者是近似完全二叉树。二叉堆满足堆特性:父节点的键值总是保持固定的序关系于任何一个子节点的键值,且每个节点的左子树和右子树都是一个二叉堆。

当父节点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值时为“最大堆”。当父节点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值时为“最小堆”。

存储

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二叉堆一般用数组来表示。如果根节点在数组中的位置是1,第n个位置的子节点分别在2n和 2n+1。因此,第1个位置的子节点在2和3,第2个位置的子节点在4和5。以此类推。这种基于1的数组存储方式便于寻找父节点和子节点。

如果存储数组的下标基于0,那么下标为i的节点的子节点是2i + 1与2i + 2;其父节点的下标是⌊floor((i − 1) ∕ 2)⌋。函数floor(x)的功能是“向下取整”,或者说“向下舍入”,即取不大于x的最大整数(与“四舍五入”不同,向下取整是直接取按照数轴上最接近要求值的左边值,即不大于要求值的最大的那个值)。比如floor(1.1)、floor(1.9)都返回1。

如下图的两个堆:

            1                                 11                          
         /      \                          /      \ 
       2         3                       9         10
    /    \     /   \                   /   \     /    \ 
   4      5   6     7                5      6   7      8
  / \    / \                        / \    / \
 8  9   10 11                      1   2  3   4 

将这两个堆保存在以1开始的数组中:

位置:  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11
左图:  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11
右图: 11  9 10  5  6  7  8  1  2  3  4

对于一个很大的堆,这种存储是低效的。因为节点的子节点很可能在另外一个内存页中。B-heap是一种效率更高的存储方式,把每个子树放到同一内存页。

如果用指针链表存储堆,那么需要能访问叶节点的方法。可以对二叉树“穿线”(threading)方式,来依序遍历这些节点。

基本操作

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在二叉堆上可以进行插入节点、删除节点、取出值最小的节点、减小节点的值等基本操作。

插入节点

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在数组的最末尾插入新节点。然后自下而上调整子节点与父节点(称作up-heap或bubble-up, percolate-up, sift-up, trickle up, heapify-up, cascade-up操作):比较当前节点与父节点,不满足“堆性质”则交换。从而使得当前子树满足二叉堆的性质。时间复杂度

删除根节点

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删除根节点用于堆排序

对于最大堆,删除根节点就是删除最大值;对于最小堆,是删除最小值。然后,把堆存储的最后那个节点移到填在根节点处。再从上而下调整父节点与它的子节点:对于最大堆,父节点如果小于具有最大值的子节点,则交换二者。这一操作称作down-heap或bubble-down, percolate-down, sift-down, trickle down, heapify-down, cascade-down,extract-min/max等。直至当前节点与它的子节点满足“堆性质”为止。

下属对最大堆的自上而下调整堆的伪代码中,数组A的下标索引值是从1开始:

Max-Heapify[1] (A, i):
 left ← 2i
 right ← 2i + 1
 largesti
 if leftheap_length[A] and A[left] > A[largest] then:
 largestleft
 if rightheap_length[A] and A[right] > A[largest] then:
 largestright
 if largesti then:
 swap A[i] ↔ A[largest]
 Max-Heapify(A, largest)

构造二叉堆

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一个直观办法是从单节点的二叉堆开始,每次插入一个节点。其时间复杂度为

最优算法是从一个节点元素任意放置的二叉树开始,自底向上对每一个子树执行删除根节点时的Max-Heapify算法(这是对最大堆而言)使得当前子树成为一个二叉堆。具体而言,假设高度为h的子树均已完成二叉堆化,那么对于高度为h+1的子树,把其根节点沿着最大子节点的分枝做调整,最多需要h步完成二叉堆化。可以证明,这个算法的时间复杂度为

建造最大堆的伪代码:

Build-Max-Heap[1] (A):
 heap_length[A] ← length[A]
 for ifloor(length[A]/2) downto 1 do
 Max-Heapify(A, i)

合并两个二叉堆

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最优方法是把两个二叉堆首尾相连放在一个数组中,然后构造新的二叉堆。时间复杂度为,其中n、k为两个堆的元素数目。

如果经常需要合并两个堆的操作,那么使用二项式堆更好,其时间复杂度为

参见

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参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 Cormen, T. H. & al., Introduction to Algorithms 2nd, Cambridge, Massachusetts: The MIT Press, 2001, ISBN 0-07-013151-1 

外部链接

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