【数据结构与算法】(8)基础数据结构 之 优先级队列的无序数组实现、有序数组实现、堆实现详细代码示例讲解

目录

    • 2.7 优先级队列
      • 1) 无序数组实现
      • 2) 有序数组实现
      • 3) 堆实现
      • 习题
        • E01. 合并多个有序链表-Leetcode 23

在这里插入图片描述

2.7 优先级队列

1) 无序数组实现

要点

  1. 入队保持顺序
  2. 出队前找到优先级最高的出队,相当于一次选择排序
public class PriorityQueue1<E extends Priority> implements Queue<E> {

    Priority[] array;
    int size;

    public PriorityQueue1(int capacity) {
        array = new Priority[capacity];
    }

    @Override // O(1)
    public boolean offer(E e) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        array[size++] = e;
        return true;
    }

    // 返回优先级最高的索引值
    private int selectMax() {
        int max = 0;
        for (int i = 1; i < size; i++) {
            if (array[i].priority() > array[max].priority()) {
                max = i;
            }
        }
        return max;
    }

    @Override // O(n)
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        int max = selectMax();
        E e = (E) array[max];
        remove(max);
        return e;
    }

    private void remove(int index) {
        if (index < size - 1) {
            System.arraycopy(array, index + 1,
                    array, index, size - 1 - index);
        }
        array[--size] = null; // help GC
    }

    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        int max = selectMax();
        return (E) array[max];
    }

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

    @Override
    public boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}
  • 视频中忘记了 help GC,注意一下

2) 有序数组实现

要点

  1. 入队后排好序,优先级最高的排列在尾部
  2. 出队只需删除尾部元素即可
public class PriorityQueue2<E extends Priority> implements Queue<E> {

    Priority[] array;
    int size;

    public PriorityQueue2(int capacity) {
        array = new Priority[capacity];
    }

    // O(n)
    @Override
    public boolean offer(E e) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        insert(e);
        size++;
        return true;
    }

    // 一轮插入排序
    private void insert(E e) {
        int i = size - 1;
        while (i >= 0 && array[i].priority() > e.priority()) {
            array[i + 1] = array[i];
            i--;
        }
        array[i + 1] = e;
    }

    // O(1)
    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        E e = (E) array[size - 1];
        array[--size] = null; // help GC
        return e;
    }

    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return (E) array[size - 1];
    }

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

    @Override
    public boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}

3) 堆实现

计算机科学中,堆是一种基于树的数据结构,通常用完全二叉树实现。堆的特性如下

  • 在大顶堆中,任意节点 C 与它的父节点 P 符合 P . v a l u e ≥ C . v a l u e P.value \geq C.value P.valueC.value
  • 而小顶堆中,任意节点 C 与它的父节点 P 符合 P . v a l u e ≤ C . v a l u e P.value \leq C.value P.valueC.value
  • 最顶层的节点(没有父亲)称之为 root 根节点

In computer science, a heap is a specialized tree-based data structure which is essentially an almost complete tree that satisfies the heap property: in a max heap, for any given node C, if P is a parent node of C, then the key (the value) of P is greater than or equal to the key of C. In a min heap, the key of P is less than or equal to the key of C. The node at the “top” of the heap (with no parents) is called the root node

例1 - 满二叉树(Full Binary Tree)特点:每一层都是填满的

在这里插入图片描述

例2 - 完全二叉树(Complete Binary Tree)特点:最后一层可能未填满,靠左对齐

在这里插入图片描述

例3 - 大顶堆

在这里插入图片描述

例4 - 小顶堆

在这里插入图片描述

完全二叉树可以使用数组来表示

在这里插入图片描述

特征

  • 如果从索引 0 开始存储节点数据
    • 节点 i i i 的父节点为 f l o o r ( ( i − 1 ) / 2 ) floor((i-1)/2) floor((i1)/2),当 i > 0 i>0 i>0
    • 节点 i i i 的左子节点为 2 i + 1 2i+1 2i+1,右子节点为 2 i + 2 2i+2 2i+2,当然它们得 < s i z e < size <size
  • 如果从索引 1 开始存储节点数据
    • 节点 i i i 的父节点为 f l o o r ( i / 2 ) floor(i/2) floor(i/2),当 i > 1 i > 1 i>1
    • 节点 i i i 的左子节点为 2 i 2i 2i,右子节点为 2 i + 1 2i+1 2i+1,同样得 < s i z e < size <size

代码

public class PriorityQueue4<E extends Priority> implements Queue<E> {

    Priority[] array;
    int size;

    public PriorityQueue4(int capacity) {
        array = new Priority[capacity];
    }

    @Override
    public boolean offer(E offered) {
        if (isFull()) {
            return false;
        }
        int child = size++;
        int parent = (child - 1) / 2;
        while (child > 0 && offered.priority() > array[parent].priority()) {
            array[child] = array[parent];
            child = parent;
            parent = (child - 1) / 2;
        }
        array[child] = offered;
        return true;
    }


    private void swap(int i, int j) {
        Priority t = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = t;
    }

    @Override
    public E poll() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        swap(0, size - 1);
        size--;
        Priority e = array[size];
        array[size] = null;
        
        shiftDown(0);        
        return (E) e;
    }

    void shiftDown(int parent) {
        int left = 2 * parent + 1;
        int right = left + 1;
        int max = parent;
        if (left < size && array[left].priority() > array[max].priority()) {
            max = left;
        }
        if (right < size && array[right].priority() > array[max].priority()) {
            max = right;
        }
        if (max != parent) {
            swap(max, parent);
            shiftDown(max);
        }
    }

    @Override
    public E peek() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        return (E) array[0];
    }

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

    @Override
    public boolean isFull() {
        return size == array.length;
    }
}

习题

E01. 合并多个有序链表-Leetcode 23

这道题目之前解答过,现在用刚学的优先级队列来实现一下

题目中要从小到大排列,因此选择用小顶堆来实现,自定义小顶堆如下

public class MinHeap {

    ListNode[] array;
    int size;

    public MinHeap(int capacity) {
        array = new ListNode[capacity];
    }

    public void offer(ListNode offered) {
        int child = size++;
        int parent = (child - 1) / 2;
        while (child > 0 && offered.val < array[parent].val) {
            array[child] = array[parent];
            child = parent;
            parent = (child - 1) / 2;
        }
        array[child] = offered;
    }

    public ListNode poll() {
        if (isEmpty()) {
            return null;
        }
        swap(0, size - 1);
        size--;
        ListNode e = array[size];
        array[size] = null; // help GC

        down(0);

        return e;
    }

    private void down(int parent) {
        int left = 2 * parent + 1;
        int right = left + 1;
        int min = parent;
        if (left < size && array[left].val < array[min].val) {
            min = left;
        }
        if (right < size && array[right].val < array[min].val) {
            min = right;
        }
        if (min != parent) {
            swap(min, parent);
            down(min);
        }
    }

    private void swap(int i, int j) {
        ListNode t = array[i];
        array[i] = array[j];
        array[j] = t;
    }

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

代码

public class E01Leetcode23 {
    public ListNode mergeKLists(ListNode[] lists) {
        // 1. 使用 jdk 的优先级队列实现
//        PriorityQueue<ListNode> queue = new PriorityQueue<>(Comparator.comparingInt(a -> a.val));
        // 2. 使用自定义小顶堆实现
        MinHeap queue = new MinHeap(lists.length);
        for (ListNode head : lists) {
            if (head != null) {
                queue.offer(head);
            }
        }
        ListNode s = new ListNode(-1, null);
        ListNode p = s;
        while (!queue.isEmpty()) {
            ListNode node = queue.poll();
            p.next = node;
            p = node;
            if (node.next != null) {
                queue.offer(node.next);
            }
        }
        return s.next;
    }
}

提问:

  • 能否将每个链表的所有元素全部加入堆,再一个个从堆顶移除?

回答:

  • 可以是可以,但对空间占用就高了,堆的一个优点就是用有限的空间做事情

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