堆（Heap）详解——Java实现
Heap
堆定义：（这里只讲二叉堆）堆实为二叉树的一种，分为最小堆和最大堆，具有以下性质：
- 任意节点小于/大于它的所有后裔，最小/大元在堆的根上。
- 堆总是一棵完全二叉树
将根节点最大的堆叫做最大堆或大根堆，根节点最小的堆叫做最小堆或小根堆。
堆的相关操作：
- 建立
- 插入
- 删除
应用：
- 堆排序
- 优先队列
- 合并容器元素
- 找出第k大元素
Java实现：
/**
* Created by XuTao on 2018/11/5 22:10
* ···最小堆···
* 《注意： 实际上并不需要用节点来真正构造一颗树，我们只是在数组中操作排序，调整好的数组就是一个堆的层遍历结果》
*
* 插入：
* 也是插入末尾，然后调整，调整也应该是一个连续向上的过程，建树就是一个连续插入的过程
*
* 删除最小：
* 即删除root：
* 用末尾一个代替root，删除末尾，然后siftDown，如果子节点有更小的，每次只需要找到最小的子节点，然后交换即可。
*
* siftDown:
* 如果建树得以保证，那么如果子节点有更小的，每次只需要找到最小的子节点，然后交换即可。
* 如果是一个乱的树，那么就要考虑，比较麻烦， 解决方式：
* i 从 最后一个节点的父节点出开始迭代，直到i = 0;
* 每次检查时，将大的节点交换到末尾——就是要到底，如果大，就要成为叶节点，不是只交换一次（用循环）
*
* 那么就有两种构建方法：
* 1.乱序构建，调整（ 一个一个添加（从数组中），添加到最后一个，树的最右最下方的那个，然后siftUp,从下往上调整就可以了 ，O（log2（n）））
* 2.一次一节点，依次调整
*
* <p>
* 思考题： 设计算法检查一个完全二叉树是不是堆，是的话是最大堆还是最小堆。
* 思路：元素1个，同为最大最小堆
* 元素>1个：
* 判断第一二个大小
* 第一个大： 可能为最大堆，然后递归校验，如果每一个节点都比子节点大，那么是最大堆，否则不是堆
* 第二个大： 可能为最小堆，然后递归校验，如果每一个节点都比子节点小，那么是最小堆，否则不是堆
* <p>
*
*时间复杂度分析：
* 建树：两种方式都是 O(nlog2(n))
* 插入： O(log2(n))
* 删除： O(log2(n))
*/
public class Heap {
private int[] data;
private final int maxSize = 128; //预设大小，足够就行
private int heapSize; //实际大小
public Heap(int[] input) {
data = new int[maxSize];
heapSize = input.length;
for (int i = 0; i < heapSize; i++) {//这个地方其实并不好，只是将传入的数组读入我的数组中，一方有不断插入操作，如果没有插入操作则不必要；
data[i] = input[i];
}
}
public void build_1() {
/**
* 建树方法1：
* 每次插入一个节点
*/
int a = heapSize;
heapSize = 0;
for (int i = 0; i < a; i++) {
insert(data[i]);
}
}
public void build_2() {
/**
* 建树方法2：
* 以原来的乱序进行调整：siftDown
*/
if (heapSize <= 1) return;
for (int i = getParent(heapSize - 1); i >= 0; i--) { // 从末元素的父节点开始，一次一次进行siftDown
siftDown(i);
}
}
/**
* 由上而下调整， sift——筛
* @param start
*/
public void siftDown(int start) {
//start至少1子，不用担心溢出问题
while (getLeft(start) < heapSize) { //注意，这里必须是小于，不能等于，如果该节点的左节点是末尾节点则结束，条件是getLeft(start)==heapSize-1
int min = 0;//判别有没有发生交换的条件
//无右子
if (getRight(start) >= heapSize) {
if (data[start] > data[getLeft(start)]) {
min = getLeft(start);
swap(start, min);
}
}
//2子
else {
min = data[getLeft(start)] > data[getRight(start)] ? getRight(start) : getLeft(start);
if (data[start] > data[min]) {
swap(start, min);
}
}
if (min == 0) break;//满足堆条件，退出
start = min; //不满足堆条件，还可以调整，继续循环
}
}
/**
* 由下而上调整
* @param start 开始的下标
*/
public void siftUp(int start) {
if (start <= 0) return;
while (data[start] < data[getParent(start)]) { //一直发生交换，直到满足条件
swap(start, getParent(start));
start = getParent(start);
if (start <= 0) break;// root
}
}
public void insert(int a) {
/**
* 插入的话会使数组长度加一，比较麻烦，于是我建立一个比较大的树，用一个较大的量maxSize来限定堆的最大容量，用heapSize来声明实际的容量
*/
data[heapSize] = a;
siftUp(heapSize);
heapSize++;
}
public int getLeft(int i) {
return 2 * i + 1;
}
public int getRight(int i) {
return 2 * i + 2;
}
public int getParent(int i) {
if (i == 0) return -1;
return (i - 1) >> 1; //除以2
}
public void swap(int i, int j) {
int temp = data[i];
data[i] = data[j];
data[j] = temp;
}
public void display() {
for (int i = 0; i < heapSize; i++) {
System.out.print(data[i] + " ");
}
System.out.println();
}
public static void main(String[] args) {
int[] a = new int[]{8, 12, 2, 5, 3, 7, -1, 44, 23};
Heap heap = new Heap(a);
heap.display();
// heap.build_1();
heap.build_2();
heap.insert(-4);
heap.display();
}
}
