一、堆结构和堆排序
（1）heapInsert，向上调整大根堆 和 heapify，向下调整大根堆
// i位置的数，向上调整大根堆
// arr[i] = x，x是新来的！往上看，直到不比父亲大，或者来到0位置(顶)
void heapInsert(vector<int>& arr, int i) {// i -> 父: (i - 1) / 2while (arr[i] > arr[(i - 1) / 2]) {swap(arr, i, (i - 1) / 2);i = (i - 1) / 2;}
}// i位置的数，变小了，又想维持大根堆结构
// 向下调整大根堆
// 当前堆的大小为size
void heapify(vector<int>& arr, int i, int size) {int l = i * 2 + 1;while (l < size) {// 有左孩子，l// 右孩子，l+1// 评选，最强的孩子，是哪个下标的孩子int best = l + 1 < size && arr[l + 1] > arr[l] ? l + 1 : l;// 上面已经评选了最强的孩子，接下来，当前的数和最强的孩子之前，最强下标是谁best = arr[best] > arr[i] ? best : i;// 如果最强的下标，是当前的数，那么当前的数已经满足大根堆结构，退出if (best == i) { // 最强的是自己break;}swap(arr, best, i);i = best;l = i * 2 + 1;}
}二、从顶到底建立大根堆
完整代码：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>// 堆结构和堆排序，填函数练习风格
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/sort-an-array/class heapSort {
public:vector<int> sortArray(vector<int> arr) {if (arr.size() > 1) {// heapSort1 为从顶到底建堆然后排序// heapSort2 为从底到顶建堆然后排序// 用哪个都可以heapSort1(arr);//heapSort2(arr);}return arr;}// i位置的数，向上调整大根堆// arr[i] = x，x是新来的！往上看，直到不比父亲大，或者来到0位置(顶)void heapInsert(vector<int>& arr, int i) {// i -> 父: (i - 1) / 2while (arr[i] > arr[(i - 1) / 2]) {swap(arr, i, (i - 1) / 2);i = (i - 1) / 2;}}// i位置的数，变小了，又想维持大根堆结构// 向下调整大根堆// 当前堆的大小为sizevoid heapify(vector<int>& arr, int i, int size) {int l = i * 2 + 1;while (l < size) {// 有左孩子，l// 右孩子，l+1// 评选，最强的孩子，是哪个下标的孩子int best = l + 1 < size && arr[l + 1] > arr[l] ? l + 1 : l;// 上面已经评选了最强的孩子，接下来，当前的数和最强的孩子之前，最强下标是谁best = arr[best] > arr[i] ? best : i;// 如果最强的下标，是当前的数，那么当前的数已经满足大根堆结构，退出if (best == i) { // 最强的是自己break;}swap(arr, best, i);i = best;l = i * 2 + 1;}}void swap(vector<int>& arr, int i, int j) {int tmp = arr[i];arr[i] = arr[j];arr[j] = tmp;}// 从顶到底建立大根堆，O(n * logn)// 依次弹出堆内最大值并排好序，O(n * logn)// 整体时间复杂度O(n * logn)void heapSort1(vector<int>& arr) {int n = arr.size();for (int i = 0; i < n; i++) {heapInsert(arr, i);}int size = n;while (size > 1) {swap(arr, 0, --size);heapify(arr, 0, size);}}
};int main() {//vector<int> arr = { 10,0,20,5,89,70,65,45 };//vector<int> arr = { 20,30,15,10,9,8,12,45,0,23 };vector<int> arr = { 5,6,3,1,9,2,4,6 };heapSort hs;vector<int> res = hs.sortArray(arr);for (int i = 0; i < res.size(); i++) {cout << res[i] << " ";}cout << endl;return 0;
}
三、从底到顶建立大根堆
依次弹出堆内最大值并排好序
完整代码：
#include <iostream>
using namespace std;
#include <vector>// 堆结构和堆排序，填函数练习风格
// 测试链接 : https://leetcode.cn/problems/sort-an-array/class heapSort {
public:vector<int> sortArray(vector<int> arr) {if (arr.size() > 1) {// heapSort1 为从顶到底建堆然后排序// heapSort2 为从底到顶建堆然后排序// 用哪个都可以//heapSort1(arr);heapSort2(arr);}return arr;}// i位置的数，向上调整大根堆// arr[i] = x，x是新来的！往上看，直到不比父亲大，或者来到0位置(顶)void heapInsert(vector<int>& arr, int i) {// i -> 父: (i - 1) / 2while (arr[i] > arr[(i - 1) / 2]) {swap(arr, i, (i - 1) / 2);i = (i - 1) / 2;}}// i位置的数，变小了，又想维持大根堆结构// 向下调整大根堆// 当前堆的大小为sizevoid heapify(vector<int>& arr, int i, int size) {int l = i * 2 + 1;while (l < size) {// 有左孩子，l// 右孩子，l+1// 评选，最强的孩子，是哪个下标的孩子int best = l + 1 < size && arr[l + 1] > arr[l] ? l + 1 : l;// 上面已经评选了最强的孩子，接下来，当前的数和最强的孩子之前，最强下标是谁best = arr[best] > arr[i] ? best : i;// 如果最强的下标，是当前的数，那么当前的数已经满足大根堆结构，退出if (best == i) { // 最强的是自己break;}swap(arr, best, i);i = best;l = i * 2 + 1;}}void swap(vector<int>& arr, int i, int j) {int tmp = arr[i];arr[i] = arr[j];arr[j] = tmp;}// 从底到顶建立大根堆，O(n)// 依次弹出堆内最大值并排好序，O(n * logn)// 整体时间复杂度O(n * logn)void heapSort2(vector<int>& arr) {int n = arr.size();for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {heapify(arr, i, n);}int size = n;while (size > 1) {swap(arr, 0, --size);heapify(arr, 0, size);}}
};int main() {//vector<int> arr = { 10,0,20,5,89,70,65,45 };//vector<int> arr = { 20,30,15,10,9,8,12,45,0,23 };vector<int> arr = { 5,6,3,1,9,2,4,6 };heapSort hs;vector<int> res = hs.sortArray(arr);for (int i = 0; i < res.size(); i++) {cout << res[i] << " ";}cout << endl;return 0;
}
四、计算复杂度
总结堆结构
- 完全二叉树和数组前缀范围的对应
- i的父亲节点：(i-1)/2，i的左孩子：i*2+1，i的左孩子：i*2+2
- 堆的定义（大根堆，小根堆），本节课讲解按照大根堆来讲解，小根堆是同理的
- 堆的调整：heapInsert（向上调整），heapify（向下调整）
- heapInsert、heapify方法的单次调用，时间复杂度O(logn)，完全二叉树的结构决定的
堆排序
- A.从顶到底建堆，时间复杂度O(n*logn)，log1 + log2 + log3 + ... + logn -> O(n*logn)
- B.从底到顶建堆，时间复杂度O(n)，总代价就是简单的等比数列关系，为啥会有差异？简单图解一下
- C.建好堆之后的调整阶段，从最大值到最小值依次归位，时间复杂度O(n*logn)，不管以什么方式建堆，调整阶段的时间复杂度都是这个 ，所以整体复杂度也是这个额外空间复杂度是O(1)，因为堆直接建立在了要排序的数组上，所以没有什么额外空间
注意:堆结构比堆排序有用的多，尤其是和比较器结合之后，后面博客会重点讲述
