[数据结构]堆

news2024/9/21 14:33:44

一、堆是什么？

堆是一种完全二叉树

完全二叉树的定义：完全二叉树的形式是指除了最后一层之外，其他所有层的结点都是满的，而最后一层的所有结点都靠左边。​​​​​​，从左到右连续。

教材上定义如下:

若设二叉树的深度为h，除第 h 层外，其它各层 (1～h-1) 的结点数都达到最大个数，第 h 层所有的结点都连续集中在最左边，这就是完全二叉树。

二、堆

堆分为大堆和小堆

大堆：对于任意一个父结点来说，其子结点的值都小于这个父节点。也就是（父亲>儿子）

小堆:   对于任意一个父结点来说，其子结点的值都大于这个父节点。也就是（父亲<儿子）

所以对堆插入数据时,我们要调整堆,我们可能会发现,导入数据后会出现一种特殊的现象,父子的位置互换了,父亲成为了儿子,儿子成为了父亲,甚至可能影响了祖先。

父子存储关系：

leftchild=parent*2+1

rightchild=parent*2+2

parent=(child-1)/2

三、堆的调整

1.向上调整

字面意思从下往上进行数据的调整，举个例子，假设我这里有个小堆：

假设我们这里在堆插入一个60：

我们会发现符合小堆的定义。

那么，我们要是插入一个30呢？

我们根据小堆的定义我们需要把30与32 的位置对调，如上图。

那么，如果我们插入的是5呢？

我们会发现5比32小，他们的位置交换，5比10还小，所以5和10的位置也交换，过程如上图。

最后这个堆就是这样的：

下面是代码实现：

typedef int HPDataType;//定义堆的数据类型
typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;
	int size;
	int capacity;
}Heap;//堆
void Adjustup(HPDataType* a, HPDataType child)//传入堆的指针和孩子的下标
{
	int parent = (child - 1) / 2;//通过公式算出父亲的下标
	while (child > 0)//设计循环条件,因本质为数组,所以下标大于0,且孩子下标如果是0,则孩子为祖先
	{
		if (a[child] < a[parent])//判断父与子大小
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);//交换父子的位置的值
			child = parent;//求出此时交换后原来孩子的下标,便于与新父亲比较
			parent = (parent - 1) / 2;//通过新的儿子的下标求出父亲的下标,便于下一次判断
		}
		else
		{
			break;//退出
		}
	}
}
void swap(HPDataType* a, HPDataType* b)//交换数值的函数
{
	HPDataType tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

2.向下调整

字面意思，就是从上到下调整，这时有人说这样插入新数值时，用这个好麻烦啊，确实是这样的，向下调整，我们一般可以用于已经存在的数组来建堆。

下面我们来举个例子，我们拥有以下数组：

{50，100，23，45，67，77}，我们要把他们建立成小堆

建立成堆的逻辑结构：

我们从50开始对其判断

看到这里，可能会有疑惑，为什么100>77同时100>67,交换的是100和67，因为如果77和100交换之后继续比较我们会发现67<77，所以上图是对的

因此我们可以得到的堆最后、如下：

思考一下这样对吗？

下面我们来用代码实现：

//建立堆,堆的数据类型,交换数值函数省略
void Adjustdown(HPDataType* a, int n, int parent)//传入堆中位置的指针,传入堆的最后一位下标和开
{                                                //始的父亲下标
	int child = parent * 2 + 1;//算出孩子下标
	while (child < n)//构建循环条件
	{
		if (child + 1 < n && a[child + 1] < a[child])//如果孩子没到最后同时右孩子小于左孩子
		{
			++child;//最小的孩子为右孩子
		}
		if (a[child] < a[parent])//孩子和父亲比较
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

将这些搞懂了,我们就能尝试去手搓一个堆了

四、手搓堆

 知道这些我们可以尝试自己来手搓一个堆了，假设我们来手搓一个大堆，顺便实现相应的操作。

1.堆的结构体和数据类型

typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;
	int size;
	int capacity;
}Heap;

2.堆的初始化

void HeapInit(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	hp->a = NULL;
	hp->capacity = 0;
	hp->size = 0;
}

3.对堆的空间判断和扩容

我们知道堆的物理结构数组，我们可以联想到顺序表，我们需要动态开辟空间，所以需要在插入新数据时，对现有的空间进行判断。

void AddHeap(Heap* hp)
{
	int newcapacity = hp->capacity == 0 ? 4 : hp->capacity * 2;
	HPDataType* temp = realloc(hp->a, sizeof(HPDataType) * newcapacity);
	if (temp==NULL)
	{
		perror("realloc fail");
		return;
	}
	hp->a = temp;
	hp->capacity = newcapacity;
}

4.在堆尾部插入数据

如果我们在队尾差尾一个数据，根据对的定义我们需要建堆进行调整，前面我们说过这里适合用向上调整。

void HeapPush(Heap* hp, HPDataType x)
{
	assert(hp);
	if(hp->size==hp->capacity)
	{
		AddHeap(hp);
	}
	hp->a[hp->size] = x;
	hp->size++;
	Adjustup(hp->a, hp->size - 1);
}

void Adjustup(HPDataType* a, HPDataType child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] > a[parent])
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

5.在堆头删除数据

删除堆头数据一样会使本来的关系改变，所以我们需要堆数据的位置进行调整，因为我们改变的时头，所以我们这里使用向下调整比较好。

void Adjustup(HPDataType* a, HPDataType child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] > a[parent])
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}
void HeapPop(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	assert(hp->a);
	swap(&hp->a[0], &hp->a[hp->size - 1]);
	hp->size--;
	Adjustdown(hp->a, hp->size, 0);
}

6.获取堆顶的数据，判断是否为空，获取数据个数

这个比较简单我直接上代码了

HPDataType HeapTop(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	assert(hp->a);
	return hp->a[0];
}
int HeapSize(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	return hp->size;
}
int HeapEmpty(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	return hp->size == 0;
}

7.堆的销毁

动态内存开辟的空间要释放

void HeapDestory(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	free(hp->a);
	hp->a = NULL;
	hp->capacity = 0;
	hp->size = 0;
}

8.总体代码

//Heap.h

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;
	int size;
	int capacity;
}Heap;

//堆的初始化
void HeapInit(Heap* hp);
// 堆的构建
//void HeapCreate(Heap* hp, HPDataType* a, int n);
// 堆的销毁
void HeapDestory(Heap* hp);
// 堆的插入
void HeapPush(Heap* hp, HPDataType x);
// 堆的删除
void HeapPop(Heap* hp);
// 取堆顶的数据
HPDataType HeapTop(Heap* hp);
// 堆的数据个数
int HeapSize(Heap* hp);
// 堆的判空
int HeapEmpty(Heap* hp);
//Heap.c

#include"Heap.h"
void HeapInit(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	hp->a = NULL;
	hp->capacity = 0;
	hp->size = 0;
}
void AddHeap(Heap* hp)
{
	int newcapacity = hp->capacity == 0 ? 4 : hp->capacity * 2;
	HPDataType* temp = realloc(hp->a, sizeof(HPDataType) * newcapacity);
	if (temp==NULL)
	{
		perror("realloc fail");
		return;
	}
	hp->a = temp;
	hp->capacity = newcapacity;
}
void HeapDestory(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	free(hp->a);
	hp->a = NULL;
	hp->capacity = 0;
	hp->size = 0;
}
void swap(HPDataType* a, HPDataType* b)
{
	HPDataType tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

void Adjustup(HPDataType* a, HPDataType child)
{
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] > a[parent])
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (parent - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void Adjustdown(HPDataType* a, int n, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;
	while (child < n)
	{
		if (child + 1 < n && a[child + 1] > a[child])
		{
			++child;
		}
		if (a[child] > a[parent])
		{
			swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}
void HeapPush(Heap* hp, HPDataType x)
{
	assert(hp);
	if(hp->size==hp->capacity)
	{
		AddHeap(hp);
	}
	hp->a[hp->size] = x;
	hp->size++;
	Adjustup(hp->a, hp->size - 1);
}
void HeapPop(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	assert(hp->a);
	swap(&hp->a[0], &hp->a[hp->size - 1]);
	hp->size--;
	Adjustdown(hp->a, hp->size, 0);
}
HPDataType HeapTop(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	assert(hp->a);
	return hp->a[0];
}
int HeapSize(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	return hp->size;
}
int HeapEmpty(Heap* hp)
{
	assert(hp);
	return hp->size == 0;
}

最后我们来测试一下这些功能

//test.c


#include<stdio.h>
#include"Heap.h"
int main()
{
	int a[] = { 50,100,70,65,60,32 };
	Heap hp;
	HeapInit(&hp);
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(int); i++)
	{
		HeapPush(&hp, a[i]);
	}

	while (!HeapEmpty(&hp))
	{
		printf("%d\n", HeapTop(&hp));
		HeapPop(&hp);
	}
	HeapDestory(&hp);
	return 0;
}

感谢阅读!

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