最小的k个数

题目：输入n个整数，找出其中最小的K个数。例如输入4,5,1,6,2,7,3,8这8个数字，则最小的4个数字是1,2,3,4,

求最大的k个数用最小堆，根节点是堆 的最小值，每次和根节点比较，比根小，舍弃，否则，代替根

求最小的K个数用最大堆，根节点是堆的最大值，每次和根节点比较，比根大，舍弃，否则，代替根。

PriorityQueue 是默认小根堆，根节点是最小值。所以用来求解最大的k个数

public static List<Integer> findKthLargest(int[] nums, int k) {
        PriorityQueue<Integer> minQueue = new PriorityQueue<>(k);
        for (int num : nums) {
            if (minQueue.size() < k || num > minQueue.peek())
                minQueue.add(num);
            if (minQueue.size() > k)
                minQueue.poll();
        }
　　
　　　　　　return new ArrayList<>(minQueue);

}

本题解法：PriorityQueue 是可以指定为大根堆，根节点是最大值。所以用来求解最小的k个数

public static List<Integer> solutionByHeap(int[] input, int k) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        if (k > input.length || k == 0) {
            return list;
        }
　　　　　　//指定为大根堆。
        PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(Comparator.reverseOrder());
        //得到k个最大值
        for (int num : input) {
            if (queue.size() < k) {
                queue.add(num);
            } else if (queue.peek() > num){
                queue.poll(); //移除头元素，也就是最大值
                queue.offer(num);
            }
        }

　　　　　　return new ArrayList<>(minQueue);

 }

 

本题解法：手写大根堆，前k个元素是最小的k个元素 为什么从n/2开始建堆呢，因为n/2是最后一个非叶子节点。n/2到n的所有节点都是叶子节点，是最下一层，不需要下沉。比如n=9 树的编号是{[1],[2,3],[4,5,6,7],[8,9]}。n/2=4就是第三层的第一个节点，也是最后一个非叶子节点。

/* 维护 A[0...k-1] 这个大根堆 */
    public static List<Integer> topKSmall(int A[], int n, int k)
    {
        //初始化前面k个元素
        for(int i=k/2; i>=0; --i)
            AdjustDown(A, i, k); // 先用前面的k个数建大根堆

        // 从k开始向后遍历，一直到结束，比如k=3,n可能是很大很大。
        for(int i=k; i<n; ++i)
        {
            if(A[i] < A[0])  // 如果小于堆顶元素，替换之
            {
                int tmp = A[0];
                A[0] = A[i];
                A[i] = tmp;
                AdjustDown(A, 0, k);  // 向下调整
            }
        }
        ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < k; i++) {
            result.add(A[i]);
        }
        return result;
    }

    /**
     *
     * @param arr
     * @param parentIndex
     * @param length   指的是堆的有效大小。只在这个范围内下沉
     */
    public static void AdjustDown(int arr[], int parentIndex, int length)
    {
        int temp = arr[parentIndex];
        int childIndex = 2 * parentIndex +1;
        while (childIndex<length) {
            if (childIndex+1<length && arr[childIndex+1]>arr[childIndex]){
                childIndex++;
            }
            if(temp>=arr[childIndex]) break;

            arr[parentIndex]=arr[childIndex];
            parentIndex=childIndex;
            childIndex=2*childIndex+1;
        }
        arr[parentIndex]=temp;
    }

当求最大的k个数字时，只需要把大根堆换成小根堆即可。（下沉的判断条件反一下，入堆的判断条件也反一下）

/* 维护 A[0...k-1] 这个小根堆 */
    public static List<Integer> topKBig(int A[], int n, int k)
    {
        //初始化前面k个元素
        for(int i=k/2; i>=0; --i)
            AdjustDown(A, i, k); // 先用前面的k个数建小根堆

        // 从k开始向后遍历，一直到结束，比如k=3,n可能是很大很大。
        for(int i=k; i<n; ++i)
        {
            if(A[i] > A[0])  // 如果大于堆顶元素，替换之
            {
                int tmp = A[0];
                A[0] = A[i];
                A[i] = tmp;
                AdjustDown(A, 0, k);  // 向下调整
            }
        }
        ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < k; i++) {
            result.add(A[i]);
        }
        return result;
    }

    /**
     *
     * @param arr
     * @param parentIndex
     * @param length   指的是堆的有效大小。只在这个范围内下沉
     */
    public static void AdjustDown(int arr[], int parentIndex, int length)
    {
        int temp = arr[parentIndex];
        int childIndex = 2 * parentIndex +1;
        while (childIndex<length) {
            if (childIndex+1<length && arr[childIndex+1]<arr[childIndex]){
                childIndex++;
            }
            if(temp<=arr[childIndex]) break;

            arr[parentIndex]=arr[childIndex];
            parentIndex=childIndex;
            childIndex=2*childIndex+1;
        }
        arr[parentIndex]=temp;
    }

 

总结:大根堆的解法和堆排序几乎一样，只有两个地方不同，1：大根堆解法只需要对前k个元素建堆，堆排序要对所有元素建堆。2.大根堆解法每次替换堆定元素，堆排序每次是删除堆定元素，把它移到未排序部分 的最后一位

//堆排序
public static void heapSort(int[] arr){
        for(int i = arr.length/2;i>=0;i--){
            downAdjust(arr,i,arr.length);
        }
        System.out.println(Arrays.toString(arr));

        //删除堆顶的元素，就是把数组的第一位和最后一位换位置
        for (int i = arr.length-1;i>0;i--) {
            int temp = arr[i];
            arr[i]=arr[0];
            arr[0]=temp;
            downAdjust(arr,0,i); //然后把第一个元素下沉，在0到length的区间内
            System.out.println(Arrays.toString(arr));
        }
    }
    public static void downAdjust(int[] arr,int parentIndex,int length) {
        int temp = arr[parentIndex];
        int childIndex = 2 * parentIndex +1;
        while (childIndex<length) {
            if (childIndex+1<length && arr[childIndex+1]>arr[childIndex]){
                childIndex++;
            }
            if(temp>=arr[childIndex]) break;

            arr[parentIndex]=arr[childIndex];
            parentIndex=childIndex;
            childIndex=2*childIndex+1;
        }
        arr[parentIndex]=temp;
    }