0%

堆的应用

优先级队列

在优先级队列中,数据的出队顺序不是先进先出,而是按照优先级来,优先级高的,最先出队。

优先级队列实现方法有很多,用堆来实现是最直接、最高效的。一个堆可以看做一个优先级队列,往优先级队列中插入一个元素,就相当于往堆中插入一个元素;从优先级队列中取出优先级最高的元素,相当于取出堆顶元素。
霍夫曼编码、图的最短路径、最小生成树算法。

  • 合并有序小文件
    小文件中存储的都是有序的字符串。从各个小文件中各取出一个字符串,放入到与文件个数等长的小顶堆中,堆顶的元素就是优先级队列队首的元素-最小的字符串。
    将这个字符串放入到大文件中,并将其从堆中删除。然后再从对应的小文件中取出下一个字符串,放入到堆中。循环。

    删除堆顶数据和往堆中插入数据的时间复杂度都是O(logn),n表示堆中的数据个数。

  • 高性能定时器
    按照任务设定的执行时间,将这些任务存储在优先级队列中,队列首部(小顶堆的堆顶)存储的是最先执行的任务。
    拿队首任务的执行时间点,与当前时间点相减,得到时间间隔T。表示从当前时间开始,等待多久才会有第一个任务需要被执行。这样定时器就可以设定在T秒之后再来执行任务,从当前时间点到(T-1)秒这段时间里,定时器不需要做任何事情。
    当T秒过去后,定时器取优先级队列中队首的任务执行。然后再计算新的队首任务的执行时间点与当前时间点的差值,该值是定时器执行下一个任务需要等待的时间。

    避免了普通定时器频繁轮训和遍历整个任务列表。

利用堆求TopK

  • 静态数据集合
    针对包含n个数据的数组,查找前K大元素。先顺序取出数组中前k个元素,维护成一个大小为K的小顶堆,再顺序遍历数组,从数组中取出数据与堆顶元素比较。如果比堆顶元素大,就把堆顶元素删除,并将这个数据插入堆中;如果比堆顶元素小,则不处理。数组中护具都遍历完之后,堆中的数据就是前K大数据。

    遍历数组时间复杂度为O(n),一次堆化操作时间复杂度为O(logK),最坏情况下,n个元素都入堆一次,时间复杂度为O(nlogK)。

  • 动态数据集合
    如果每次询问前K大数据,都基于当前的数据重新计算的话,时间复杂度为O(nlogK),n表示当前的数据的大小。

    维护一个K大小的小顶堆,当有数据被添加进集合中时,与堆顶元素比较。如果比堆顶元素大,就把堆顶元素删除,并将这个数据插入堆中;如多比堆顶元素小,就不做处理。无论任何时候需要查询当前的前K大数据,都可以立刻返回。

利用堆求中位数

中位数,处在中间位置的那个数。如果数据的个数是奇数,把数据从小到大排列,第n/2 + 1个数就是中位数(数据从0开始编号);如果数据的个数是偶数,处于中间位置的数据有两个,第n/2个和第n/2 + 1个,可以随意取一个作为中位数。

  • 静态数据
    中位数固定,可以先排序,第n/2个数据就是中位数。每次询问中位数直接返回固定值。

  • 动态数据
    中位数在不停的变动,不能每次都先排序。

    维护两个堆,一个大顶堆,一个小顶堆。大顶堆存储前半部分数据,小顶堆存储后半部分数据,而且小顶堆中的数据都大于大顶堆中的数据。
    如果新加入的数据小于等于大顶堆的堆顶元素,就将新数据插入到大顶堆;否则将新数据插入到小顶堆。插入后两个堆中的数据个数不符合约定情况时,从一个堆中将堆顶元素移动到另一个堆。

    插入数据因为需要涉及堆化,时间复杂度为O(logn),求中位数只需要返回大顶堆的堆顶元素,时间复杂度是O(1)。

    中位数相当于50%,可以扩展到任意百分位数。