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[DDSAinC++] 大根堆/大根堆的pop&remove

2022-08-04 22:04:44 作者：互联网

1. 定义

[max(min) tree] 一棵树, 其中每个节点的值都大于 (小于) 或等于其 children (如果有) 的值.
[max(min) heap] max(min) tree + complete binary tree.

2. 性质

heap 是一种 隐式数据结构 (implicit data structure).
用 完全二叉树 表示的 heap 在数组中 隐式储存 (没有明确的指针或其他数据能够用来重塑这种结构).
由于没有储存 结构信息, 这种表示方法的空间利用率很高 (没有浪费任何空间); 又由于用数组形式储存, 它的时间效率也很高.
由于是完全二叉树, 自然满足如下性质:
1. 若一颗 complete binary tree 有 \(n\) 个元素, 那么它的高度为 \(\log_2 (n+1)\) .
2. 设一颗 complete binary tree 中一元素的编号为 \(i\) , \(1 \leq i \leq n\) , 则有以下关系:
  - 若 \(i = 1\) , 则该元素为二叉树的 root; 若 \(i>1\) , 则其 parent 的编号为 \(\lceil i/2 \rceil\) .
  - 若 \(2i>n\) , 则该元素无 left child; 否则, 其 left child 的编号为 \(2i\) .
  - 若 \(2i+1>n\) , 则该元素无 right child; 否则, 其 right child 的编号为 \(2i+1\) .

3. 大根堆的 pop & remove

3.1. 核心逻辑 & 发现问题

不失一般性, 假设存在如下图一个大根堆.

现在要删除 heap[current], 那么我们要做的核心步骤是:

将 heap[current] 的 children 中较大的那个 (我们假定那个结点是 heap[child] ) 移动到 heap[current] 的位置;

这时 heap[child] 相当于 "空" 的状态,
因此顺理成章地利用递归或迭代, 再把 heap[child] 当作新的 heap[current] 而反复执行核心步骤.

应当将 child 小于 heapSize 作为限制 iteration 或 recursion 继续进行的条件.

然而, 如果我们使用上述逻辑 pop 上图中的 heap[1]:

48 填入 heap[1];
43 填入 heap[2];
30 填入 heap[4];
heap[8] 为空;

为满足定义 1 和定义 2, 此时若将 lastElement = 41 填入 heap[8], 则 heap[4] = 30 小于 heap[8] = 41, 与定义 1 产生冲突.

为什么会出现这样的问题呢?

根据定义 1:

[max(min) tree] 一棵树, 其中每个结点的值都大于(小于)或等于其 children (如果有)的值.

我们应该明确一点:

整体上, 大根树中下层元素不一定大于上层元素, 而只是每个结点要大于自己所有的 descendent.

如上图, 尽管 heap[11] 在 level 4; 但仍比处于 level 2 的 heap[3] 大.

这就是为什么在 pop 或者 remove 时, 我们需要更加复杂的方法进行重构.

2.2. 重构大根堆

2.1. 提出的问题不建议使用 recursion 解决; 因为如果用 iteration, 只要在循环体中添加一步简单的判断就即可.

再次观察前文的大根堆:

我们发现, 冲突的产生本质上是因为,
尽管 heap[4] 是 silblings 中较大的那个, 但它的 child heap[8] 并没有其 sibling (也就是 heap[5]) 的 child heap[11] = lastElement 大.

那么, 我们只要在保持核心逻辑的同时, 一旦发现 heap[current] 的较大 child 比 lastElement 小, 那就结束循环, 把 lastElement 填入 heap[current]! 后面的就不用管了!
如果没找到......那就继续循环, 循环到底, 把 lastElement 填到最下面就好.

2.3. 代码实现

pop最顶端元素(root).

template<class T>
void maxHeap<T>::pop() {
    if (heapSize == 0) throw queueEmpty();
    // Delete the largest element.
    heap[1].~T();
    // Delete the last element and re-construct the heap.
    T lastElement = heap[heapSize];
    heap[heapSize--].~T();
    // Starting from the root, find location for the last element.
    int current = 1,
        child = 2;
    // Loop until the end.
    while (child <= heapSize) {
        // "child" should be the larger child of "current"
        if (child < heapSize && heap[child] < heap[child + 1]) { child++; }
        // IF: "current" points to a node whose child is smaller than "lastElement", 
        // indicating that "lastElement" can be put in "heap[current]".
        if (lastElement >= heap[child]) {
            // End loop.
            break;
        }
        // OTHERWISE.
        else {
            heap[current] = heap[child];
            current = child;
            // Move "child" to its child.
            child << 1;
        }
    }
    heap[current] = lastElement;
}

remove下标为 i 的元素.

template<class T>
T maxHeap<T>::remove(int i) {
    if (heapSize == 0) throw queueEmpty;
    T theDeleted = heap[i];
    T lastElement = heap[heapSize];
    heap[heapSize].~T();
    int current = i, child = i << 1;
    while (child <= heapSize) {
        // Make sure "child" points to the larger one between the sublings.
        if (child < heapSize && heap[child] < heap[child + 1]) {
            child++;
        }
        // IF: "current" points to a node whose child is smaller than "lastElement", 
        // indicating that "lastElement" can be put in "heap[current]".
        if (lastElement >= heap[child]) {
            // End loop.
            break;
        }
        // OTHERWISE.
        else {
            heap[current] = heap[child];
            current = child;
            child << 1;
        }
    }
    heap[current] = lastElement;
    return theDeleted;
}

标签：大根堆,lastElement,pop,current,DDSAin,heapSize,heap,child
来源： https://www.cnblogs.com/jamesnulliu/p/dsaaincpp-maxheap.html