队列中取最大值操作问题
题目描述:
假设有这样一个拥有3个操作的队列:
1 Enqueue(v): 将v加入队列
2 DeQueue:使队列中的队首元素删除并返回此元素
3 MaxElement:返回队列中的最大元素
请设计一种数据结构和算法,让MaxElement操作的时间复杂度尽可能地低。
队列是遵守“先入先出”原则的一种复杂数据结构。其底层的数据结构不一定要用数组来实现,还可以使用其他特殊的数据结构来实现,以达到降低MaxElement操作复杂度的目的。
分析与解法:
解法一
这个问题的关键在于取最大值的操作,并且考虑但队列里面的元素动态增加和减少的时候,如何能够非常快速地把最大值取出。
虽然,最直接的思路就是按传统方式来实现队列。利用一个数组或链表来存储队列的元素,利用两个指针分别指向队列的队首和队尾。如果采用这种方法,那么MaxElement操作需要遍历队列的所有元素。在队列的长度为N的条件下,时间复杂度为O(N)。
解法二
根据取最大值的要求,可以考虑用最大堆来维护队列中的元素。堆中每个元素都有指针指向它的后续元素。这样,堆就可以很快实现返回最大元素的操作。同时,我们也能保证队列的正常插入和删除。MaxElement操作其实就是维护一个最大堆,其时间复杂度为O(1)。而入队和出队操作的时间复杂度为O(lgN)
开始不太能理解,后来想想好像是这样的,比如,队列是先进先出的,所以用一种数据结构来记录元素的进出顺序,而使用最大堆来维持找到最大值的效率。假如使用queue来存放所有的数据,当入队的时候直接插入队尾,而最大堆也需要将加入的值放在堆的最后,然后进行调整,直到满足最大堆。如果是进行访问最大值,可以直接访问堆顶的元素。如果是进行出队操作,从队列的首部删除该元素,并在最大堆中找到该元素,删除之后,进行调整。这样既能够达到满足队列的“先进先出”,也能满足在O(1)的条件下访问到最大值。
解法三
曾经做过一种类似的题目是最小栈,也就是在O(1)的情况下访问到栈中的最小元素。如是想到也可以使用这种方式来实现优先队列,
如果使用两个数组分别存放,第一个数组按进入的顺序存放所有的元素,另一个数组中存放最大值的下标,另外还用一个变量记录当前的最大值下标。
实现代码:
class stack
{
public:
stack()
{
stackTop=-1;
maxStackItemIndex=-1;
}
void push(Type x)
{
stackTop++;
if(stackTop>=Max)
; //栈满
else
{
stackItem[stackTop]=x;
if(x>Max())
{
link2NextMaxItem[stackTop]=maxStackItemIndex;
maxStackItemIndex=stackTop;
}
else
link2NextMaxItem[stackTop]=-1;
}
}
Type Pop()
{
Type ret;
if(stackTop<0)
ThrowException(); //已经没有元素来,所以不能pop
else
{
ret=stackItem[stackTop];
if(stackTop==maxStackItemIndex)
{
maxStackItemIndex=link2NextMaxItem[stackTop];
}
stackTop--;
}
return ret;
}
Type Max()
{
if(maxStackItemIndex>=0)
return stackItem[maxStackItemIndex];
else
return -INF;
}
private:
Type stackItem[MAXN];
int stackTop;
int link2NextMaxItem[MAXN];
int maxStackItemIndex;
};
这里,维护一个最大值的序列来保证Max操作的时间复杂度为O(1),相当于用空间复杂度换取了时间复杂度。
如果能够用栈有效第实现队列,而栈的Max操作又很容易,那么队列的Max操作也就能有效地完成了。
一 内存泄漏
1 C++内存泄漏
在C程序中使用malloc()分配内存,使用free()来释放内存,当未释放不再使用的内存时就会出现“内存泄漏”
在C++程序中使用new()分配内存,使用delete()释放内存,当未释放不再使用的内存时就会出现“内存泄漏”
2 避免内存泄漏
每次调用malloc分配内存时,注意在以后要调用想要的free来释放它。
3 检测内存泄漏
内存泄漏的症状就是罪魁进程的速度会减慢。原因是体积大的进程更有可能被系统换出,让别的进程运行,而且大的进程在换入换出时花费的时间也更多。
观察内存泄漏是一个两步骤的过程。首先,使用swap命令观察还有多少可用的交换空间,过一两分钟键入该命令两到三次,看看可用的交换区是否在减少。还可以使用其他一些工具入netstat、vmstat等。第二个步骤是确定可疑的进程,看看它是不是该为内存泄漏负责,你可能已经知道哪个进程是罪魁祸首,不然可以使用ps -lu 用户名命令来显示所有进程的大小。
二、什么是大端和小端
Big-Endian和Little-Endian的定义如下:
1) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端,高位字节排放在内存的高地址端。
2) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端,低位字节排放在内存的高地址端。
举一个例子,比如数字0x12 34 56 78在内存中的表示形式为:
1)大端模式:
低地址 -----------------> 高地址
0x12 | 0x34 | 0x56 | 0x78
2)小端模式:
低地址 ------------------> 高地址
0x78 | 0x56 | 0x34 | 0x12
可见,大端模式和字符串的存储模式类似。
3)下面是两个具体例子:
内存地址 | 小端模式存放内容 | 大端模式存放内容 |
0x4000 | 0x34 | 0x12 |
0x4001 | 0x12 | 0x34 |
32bit宽的数0x12345678在Little-endian模式以及Big-endian模式)CPU内存中的存放方式(假设从地址0x4000开始存放)为:
内存地址 | 小端模式存放内容 | 大端模式存放内容 |
0x4000 | 0x78 | 0x12 |
0x4001 | 0x56 | 0x34 |
0x4002 | 0x34 | 0x56 |
0x4003 | 0x12 | 0x78 |
4)大端小端没有谁优谁劣,各自优势便是对方劣势:
小端模式 :强制转换数据不需要调整字节内容,1、2、4字节的存储方式一样。
大端模式 :符号位的判定固定为第一个字节,容易判断正负。