二叉堆、斐波那契堆、二项堆是什么?关于数据结构,你应该了解一下 |
您所在的位置:网站首页 › 二项堆和二叉堆 › 二叉堆、斐波那契堆、二项堆是什么?关于数据结构,你应该了解一下 |
实现优先级队列最常用的数据结构是堆,堆的常见实现有二叉堆、斐波那契堆、二项堆等。 二叉堆 堆是一种完全二叉树,我们以小根堆为例,小根堆的性质就是,每个节点都小于其左孩子和右孩子,不难发现,这种二叉树,根的值是最小的。 堆有以下几种操作:堆的初始化、修改某个值(规定修改之后的值小于等于原来的值)、插入某个值、取出根节点(即取出该优先队列中的优先级最高的值)。 在进行这几种操作的时候,要维护堆的性质。 堆的存储 我们不难发现以下结论:在一棵完全二叉树中,假设节点下标从0开始,那么点i的左孩子的下标为 (i this.a = new ArrayList(); this.a.addAll(Arrays.asList(a)); this.n = this.a.size(); build(); } /** * 初始化堆 */ public void build() { for (int i = (n >> 1) - 1; i >= 0; i--) { down(i); } } /** * 获取父节点的下标 * @param i * @return */ private int parent(int i) { return (i-1)>>1; } /** * 获取左孩子的下标 * @param i * @return */ public int left(int i) { return (i int left = left(i); int right = right(i); int small = i; if (left < n && a.get(left).compareTo(a.get(i)) < 0) { small = left; } if (right < n && a.get(right).compareTo(a.get(small)) < 0) { small = right; } if (small != i) { T temp = a.get(i); a.set(i, a.get(small)); a.set(small, temp); down(small); } } /** * 向上调整 * @param i */ public void up(int i) { int parent = parent(i); if (parent >= 0 && a.get(parent).compareTo(a.get(i)) > 0) { T temp = a.get(i); a.set(i, a.get(parent)); a.set(parent, temp); up(parent); } } /** * 将下标为i处的节点值更新为key(变小) * @param i * @param key */ public void update(int i, T key) { a.set(i, key); up(i); } /** * 插入新的节点key * @param key */ public void insert(T key) { a.add(key); n++; up(n - 1); } /** * 获取并移除根节点 * @return */ public T getTop() { T result = a.get(0); a.set(0, a.get(--n)); down(0); return result; } @Override public String toString() { return a.toString(); } public static void main(String[] args) { Integer[] a = {16, 4, 10, 14, 7, 9, 3, 2, 8, 1}; Heap heap = new Heap(a); System.out.println(heap); heap.insert(13); System.out.println(heap); heap.update(3, 1); System.out.println(heap); } } 斐波那契堆 斐波那契堆(Fibonacci heap)是堆中一种,它和二项堆一样,也是一种可合并堆,可用于实现合并优先队列。斐波那契堆比二项堆具有更好的平摊分析性能,它的合并操作的时间复杂度是O (1) 。 与二项堆一样,它也是由一组堆最小有序树组成,并且是一种可合并堆。与二项堆不同的是,斐波那契堆中的树不一定是二项树,而且二项堆中的树是有序排列的,但是斐波那契堆中的树都是有根而无序的。 基本定义 typedef int Type; typedef struct _FibonacciNode { Type key; // 关键字(键值) int degree; // 度数 struct _FibonacciNode *left; // 左兄弟 struct _FibonacciNode *right; // 右兄弟 struct _FibonacciNode *child; // 第一个孩子节点 struct _FibonacciNode *parent; // 父节点 int marked; //是否被删除第1个孩子(1表示删除,0表示未删除) }FibonacciNode, FibNode; FibNode是斐波那契堆的节点类,它包含的信息较多。key是用于比较节点大小的,degree是记录节点的度,left和right分别是指向节点的左右兄弟,child是节点的第一个孩子,parent是节点的父节点,marked是记录该节点是否被删除第1个孩子(marked在删除节点时有用)。 typedef struct _FibonacciHeap{ int keyNum; // 堆中节点的总数 int maxDegree; // 最大度 struct _FibonacciNode *min; // 最小节点(某个最小堆的根节点) struct _FibonacciNode **cons; // 最大度的内存区域 }FibonacciHeap, FibHeap; FibHeap是斐波那契堆对应的类。min是保存当前堆的最小节点,keyNum用于记录堆中节点的总数,maxDegree用于记录堆中最大度,而cons在删除节点时来暂时保存堆数据的临时空间。 从图中可以看出,斐波那契堆是由一组小根堆组成,这些小根堆的根节点组成了双向链表(根链表),斐波那契堆中的最小节点就是"根链表中的最小节点"! 基本操作 插入操作 插入操作非常简单:插入一个节点到堆中,直接将该节点插入到"根链表的min节点"之前即可;若被插入节点比"min节点"小,则更新"min节点"为被插入节点。 斐波那契堆的根链表是"双向链表",这里将min节点看作双向联表的表头。在插入节点时,每次都是"将节点插入到min节点之前(即插入到双链表末尾)"。 此外,对于根链表中小根堆都只有一个节点的情况,插入操作就很演化成双向链表的插入操作。 /* * 将"单个节点node"加入"链表root"之前 * a …… root * a …… node …… root * * 注意: 此处node是单个节点,而root是双向链表 */ static void fib_node_add(FibNode *node, FibNode *root) { node->left = root->left; root->left->right = node; node->right = root; root->left = node; } /* * 将节点node插入到斐波那契堆heap中 */ static void fib_heap_insert_node(FibHeap *heap, FibNode *node) { if (heap->keyNum == 0) heap->min = node; else { fib_node_add(node, heap->min); if (node->key < heap->min->key) heap->min = node; } heap->keyNum++; } 本文作者:中国农业银行研发中心西安研发部 陈登帅 |
CopyRight 2018-2019 办公设备维修网 版权所有 豫ICP备15022753号-3 |