堆排序

排升序要建大堆，排降序要建小堆（这里以排升序为例）
排序思想：
1.首先将待排序的n个数建成大堆（此时堆顶是n个数里最大的）.
2.将堆顶的值与和最后一个数交换，此时最大的值在n的位置不用管，排序剩下n-1个数（此时根除外左子树和右子树各自依旧是大堆）
3.然后向下调整，选出n-1个数里最大的值，再和n-1个数的最后一个值交换，此时n-1位置放的是第二大的值
4.然后再排剩下的n-2个数，重复就能得到这升序。

以这个数组a[] = { 4,6,2,1,5,8,2,9 }为例
这里建堆有两种方法：

向上调整建堆

1.把数组的第一个数当成一个堆，然后往后插入值再向上调整


这种建堆的时间复杂度为O（NlogN）

向下调整建堆

2.找到最后一个数的位置，然后找到它的父亲,再调整。


这种方法的建堆时间复杂度为O(N)

我们建堆肯定首选时间复杂度低的咯，所以我们一般建堆都是用向下调整建堆。

//这里是排升序，所以要建大堆
//交换函数
void Swap(HDataType* p1, HDataType* p2)
{
	HDataType tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;

}

//向下调整算法
void AdjustDown(HDataType* a, int size, int parent)
{
	//假设左孩子大
	int child = parent * 2 + 1;

	while (child < size)
	{
		if (child + 1 < size && a[child + 1] > a[child])//确保有右孩子，如果错了，更新到右边
		{
			++child;
		}
		if (a[child] > a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);

			parent = child;
			child = child * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

}
//向上调整算法
void AdjustUp(HDataType* a, int child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] > a[parent])
		{
			Swap(&a[parent], &a[child]);
			child = parent;
			parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

}
void Heapsort(HDataType* a, int n)
{
	建堆N*logN
	//for (int i = 1; i < n; i++)
	//{
	//	AdjustUp(a, i);
	//}

	//建堆N
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(a, n, i);
	}

	//排序N*logN
	int end = n - 1;
	while (end > 0)
	{
		Swap(&a[0], &a[end]);
		AdjustDown(a, end, 0);
		--end;
	}
}

int main()
{
	int a[] = { 4,6,2,1,5,8,2,9 };
	int sz = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
	Heapsort(a, sz);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", a[i]);

	}
	printf("\n");

	return 0;
}

堆排序调整过程

当在h层时：有2^h-1个元素， 从最顶上到最底下需要走最多h-1次
从最顶上到最底下 ，所有元素需要花费的次数为 2^h-1 * (h-1)

当在h - 1层时：有2^h-2个元素， 从最顶上到最底下需要走最多h-2次
从最顶上到最底下 ，所有元素需要花费的次数为 2^h-2 * (h-2)

最终需要花费的时间就是与上面的向上调整法的结果一样，时间复杂度为O(NlogN)。

堆排序筛选法建堆和堆调整过程结合到一起，时间复杂度是O(N)+O(NlogN)，进一步堆排序时间复杂度为O(NlogN)量级。

Top-K问题

TopK问题是一种常见的算法问题，要求从一组元素中找到最大或最小的K个元素。这类问题在日常生活中也经常遇到，例如排名、销量、评分等。TopK问题可以通过排序的方式解决，但是效率较低，一种更高效的方法是利用堆这种数据结构，每次堆顶要么是最大或者最小的元素。这种方法的时间复杂度是N*logK，而且不需要在内存中读入全部的元素，适用于大数据集。

我们举个例：从数据个数为9的数组a[] = { 4,3,7,9,1,5,8,2,8 };中找到前k = 3个最大的数。
第一种方法：刚刚学的堆排序就派上用场了，但是时间复杂度为O（NlogN）
如果数据量非常大，排序就不太可取了（可能数据都不能一下子全部加载到内存中）
第二种方法：就是建N个大小的堆，建N个数的堆为O(N)，获取堆顶元素，删除掉堆顶元素为O(logN)，上述操作重复 k 次，所以时间复杂度为O(N+klogN)。
如果 N 是 10 亿数，内存中放不下，是放在文件中的，前面两个方法都不能用了。
第三种方法：建k个大小的堆，将剩下的N-k个数与堆顶进行比较，比堆顶大则替换，再进行向下调整，让其再成堆，重复以上动作即可。时间复杂度：O(k + (N-K)logK)。当 N 远大于 K 时，则为O(NlogK)。

结合文件操作演示

//交换函数
void Swap(HDataType* p1, HDataType* p2)
{
	HDataType tmp = *p1;
	*p1 = *p2;
	*p2 = tmp;

}

//向下调整算法
void AdjustDown(HDataType* a, int size, int parent)
{
	//假设左孩子小
	int child = parent * 2 + 1;

	while (child < size)
	{
		if (child + 1 < size && a[child + 1] < a[child])//确保有右孩子，如果错了，更新到右边
		{
			++child;
		}
		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);

			parent = child;
			child = child * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

}
//向上调整算法
void AdjustUp(HDataType* a, int child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[parent], &a[child]);
			child = parent;
			parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}


	}

}
void CreateNData()
{
	int n = 10000000;
	srand(time(0));
	const char* file = "data.txt";
	FILE* fin = fopen(file, "w");
	if (fin == NULL)
	{
		perror("fopen fail");
		return;	
	}
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		int x = (rand() + i) % 10000000;
		fprintf(fin, "%d\n", x);
	}
	fclose(fin);

}

void PrintTopK(const char* file, int k)
{
	FILE* fout = fopen(file, "r");
	if (fout == NULL)
	{
		perror("fopen fail");
		return;
	}
	//建一个k个数的小堆
	int* minheap = (int*)malloc(sizeof(int) * k);
	if (minheap == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;

	}
	//读取前k个，建小堆
	for (int i = 0; i < k; i++)
	{
		fscanf(fout, "%d", &minheap[i]);
		AdjustUp(minheap, i);
	}


	int x = 0;
	while (fscanf(fout, "%d", &x) != EOF)
	{
		if (x > minheap[0])
		{
			minheap[0] = x;
			AdjustDown(minheap, k, 0);
		}
	}
	for (int i = 0; i < k; i++)
	{
		printf("%d ", minheap[i]);
	}
	printf("\n");

	fclose(fout);
}

int main()
{
	CreateNData();
	PrintTopK("data.txt", 5);

	return  0;
}