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Java怎么用堆解决Top-k问题

1、什么是堆?堆结构堆其实就是一种二叉树,但是普通的二叉树是以链式结构进行储存数据的,而堆是以数组进行顺序存储数据的。那么什么样的二叉树才适合用顺序存储的方式呢?我们假设一颗普通的二叉树可以用数组存储,那么就可以得到如下结构:我们可以看到,当二叉树中间有空值时,数组的存储空间会被浪费,那么什么情况下空间才不会被浪费呢?那就是完全二叉树。从以上结构中,我们不能用链式结构的指针来访问孩子节点或者父亲节点,只能通过对应下标来访问,其实也比较简单。例如下图:已知2节点的下标是1,那么他的左孩子下标是:2*2+1=

本文目录

    1、什么是堆?

    堆结构

    堆其实就是一种二叉树,但是普通的二叉树是以链式结构进行储存数据的,而堆是以数组进行顺序存储数据的。那么什么样的二叉树才适合用顺序存储的方式呢?

    我们假设一颗普通的二叉树可以用数组存储,那么就可以得到如下结构:

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    我们可以看到,当二叉树中间有空值时,数组的存储空间会被浪费,那么什么情况下空间才不会被浪费呢? 那就是完全二叉树。

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    从以上结构中,我们不能用链式结构的指针来访问孩子节点或者父亲节点,只能通过对应下标来访问,其实也比较简单。

    例如下图:

    已知 2 节点的下标是1,那么

    他的左孩子下标是:2 * 2 + 1 = 3

    他的右孩子下标是:2 * 2 + 2 = 4

    相反,已知 1 节点的下标是3,3 节点的下标是4,那么

    1 节点的父亲节点下标是:(3 - 1) / 2 = 1

    3 节点的父亲节点下标是:(4 - 1) / 2 = 1

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    大根堆 VS 小根堆

    大根堆(最大堆)

    大根堆保证,每颗二叉树的根节点都 大于 左右孩子节点

    从最后一棵子树的根节点开始调整,来到每颗子树的根节点,使得每棵子树都向下调整为大根堆,最后再向下做最后调整,保证二叉树整体是大根堆(这个调整主要是为了后面的堆排序)。

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    具体调整过程如下:

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    怎么用代码实现呢?

    我们首先从最后一棵子树调整,那么就要拿到最后一颗子树的根节点 parent ,我们知道数组最后一个节点下标是 len - 1,而这个节点是最后一棵子树的左孩子或者右孩子,根据孩子下标就可以拿到根节点下标( parent ) ,parent-- 就可以让每颗子树都进行调整,直到来到根节点,再向下调整最后一次,便可以得到大根堆。

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    // 将数组变成大根堆结构
    public void createHeap(int[] arr){
        for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
            elem[i] = arr[i];// 放入elem[],假设不需要扩容
            usedSize++;
        }
        // 得到根节点parent, parent--依次来到每颗子树的根节点,
        for (int parent = (usedSize-1-1)/2; parent >= 0; parent--) {
            // 依次向下搜索,使得每颗子树都变成大根堆
            shiftDown(parent,usedSize);
        }
    }
    // 向下搜索变成大根堆
    public void shiftDown(int parent,int len){
        int child = parent*2+1;// 拿到左孩子
        while (child < len){
            // 如果有右孩子,比较左右孩子大小,得到较大的值和父节点比较 
            if (child+1 < len && (elem[child] < elem[child+1])){
                child++;
            }
            // 比较较大的孩子和父节点,看是否要交换
            int max = elem[parent] >= elem[child] ? parent : child;
            if (max == parent) break;// 如果不需要调整了,说明当前子树已经是大根堆了,直接 break
            swap(elem,parent,child);
            parent = child;// 继续向下检测,看是否要调整
            child = parent*2+1;
        }
    }
    public void swap(int[] arr,int i,int j){
      	int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }
    小根堆(最小堆)

    小根堆保证,每颗二叉树的根节点都 小于 左右孩子节点

    调整过程同上。

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    优先级队列(PriorityQueue)

    在java中,提供了堆这种数据结构(PriorityQueue),也叫优先级队列,当我们创建一个这样的对象时,就得到了一个没有添加数据的 小根堆 ,我们可以向里面添加或者删除元素,每向里面删除或者添加一个元素,系统会整体进行一次调整,重新又调整为小根堆。

    // 默认得到一个小根堆
    PriorityQueue smallHeap = new PriorityQueue<>();
    smallHeap.offer(23);
    smallHeap.offer(2);
    smallHeap.offer(11);
    System.out.println(smallHeap.poll());// 弹出2,剩余最小的元素就是11,会被调整到堆顶,下一次弹出
    System.out.println(smallHeap.poll());// 弹出11
    
     // 如果需要得到大根堆,在里面传一个比较器
     PriorityQueue BigHeap = new PriorityQueue<>(new Comparator() {
         @Override
         public int compare(Integer o1, Integer o2) {
             return o2 - o1;
         }
     });

    2、top-k问题解决思路

    例:有一堆元素,让你找出前三个最小的元素。

    思路一: 将数组从小到大排序,拿到数组前3个元素。但是可以发现这样时间复杂度太高,不可取。

    思路二: 将元素全部放入一个堆结构中,然后弹出三个元素,每次弹出的元素都是当前堆最小的,那么弹出的三个元素就是前最小的三个元素。

    这种思路可以做,但是假设我有1000000个元素,只弹出前三个最小的元素,那么就要用到大小为1000000的堆。这么做空间复杂度太高,不建议用这种方法。

    思路三:

    我们需要得到三个最小的元素,那么就建一个大小为3的堆,假设目前的堆结构中刚好放满了3个元素,那么这三个元素就是当前最小的三个元素。假设第四个元素是我们想要的元素之一,那么前三个至少有一个元素不是我们想要的,就需要弹出,那么弹出谁呢?

    我们要得到的是前三个最小的元素,所以当前堆结构中最大的元素一定不是我们想要的,所以这里我们建一个大根堆。弹出该元素,然后放入第四个元素,直到遍历完整个数组。

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    Java怎么用堆解决Top-k问题

    这样我们就得到了只含有前三个最小元素的堆,并且可以看到堆的大小一直都是3,而不是有多少数据就建多大的堆,然后再依次弹出元素就行了。

    // 找前 k个最小的元素
    public static int[] topK(int[] arr,int k){
         // 创建一个大小为 k的大根堆
         PriorityQueue maxHeap = new PriorityQueue<>(k,new Comparator() {
             @Override
             public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                 return o2 - o1;
             }
         });
         for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
             if (i < k){
                 // 放入前 k 个元素
                 maxHeap.offer(arr[i]);
             }else{
                 // 从第 k+1个元素开始进行判断是否要入堆
                 if (maxHeap.peek() > arr[i]){
                     maxHeap.poll();
                     maxHeap.offer(arr[i]);
                 }
             }
         }
         int[] ret = new int[k];
         for (int i = 0; i < k; i++) {
             ret[i] = maxHeap.poll();
         }
         return ret;
     }
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