BM48-数据流中的中位数

文章介绍了如何在数据流中实时计算中位数,使用大根堆和小根堆进行动态维护,保证在O(nlogn)的时间复杂度和O(n)的空间复杂度下,可以高效地插入元素并获取当前中位数。

题目

如何得到一个数据流中的中位数?如果从数据流中读出奇数个数值,那么中位数就是所有数值排序之后位于中间的数值。如果从数据流中读出偶数个数值,那么中位数就是所有数值排序之后中间两个数的平均值。我们使用Insert()方法读取数据流,使用GetMedian()方法获取当前读取数据的中位数。

数据范围:数据流中数个数满足 1≤n≤1000,大小满足 1≤val≤1000。

进阶: 空间复杂度 O(n) , 时间复杂度 O(nlogn)。

示例1

输入:[5,2,3,4,1,6,7,0,8]

返回值:"5.00 3.50 3.00 3.50 3.00 3.50 4.00 3.50 4.00 "

说明:数据流里面不断吐出的是5,2,3...,则得到的平均数分别为5,(5+2)/2,3...

示例2

输入:[1,1,1]

返回值:"1.00 1.00 1.00 "


思路

维护两个堆:一个是大根堆:保存较小的那一部分数;一个是小根堆:保存较大的那一部分数。

若n是偶数,它们保存的元素的数目都是n / 2;若n是奇数,大根堆比小根堆多保存一个元素。

要求中位数:

若n是偶数:直接将两个堆的堆顶元素取出,相加除以2即可。

例:[1,2,3,4,5,6]

若n是奇数:(规定大根堆多保存一个元素)直接将大根堆堆顶元素取出即可。

例:[1,2,3,4,5,6,7]

  • 时间复杂度:O(1)。
  • 空间复杂度:O(n)。

动态维护(插入操作):

若n是偶数:将要插入的元素添加到小根堆里,再把小根堆堆顶的元素放到大根堆里,这样就进行了动态维护,插入后n为奇数,直接将大根堆堆顶元素取出即可。

若n是奇数:将要插入的元素添加到大根堆里,再把大根堆堆顶的元素放到小根堆里,这样就进行了动态维护,插入后n为偶数,直接将两个堆的堆顶元素取出,相加除以2即可。

  • 时间复杂度:O(logn)。
  • 空间复杂度:O(n)。

代码

import java.util.*;

public class Solution {
    //java使用优先级队列实现大根堆和小根堆,默认是小根堆
    Queue<Integer> min = new PriorityQueue<>();
    Queue<Integer> max = new PriorityQueue<>((x, y) -> (y - x));

    public void Insert(Integer num) {
        if(min.size() == max.size()) { //是偶数
            min.add(num);
            max.add(min.poll());
        } else { //是奇数
            max.add(num);
            min.add(max.poll());
        }
    }

    public Double GetMedian() {
        if(min.size() == max.size()) { //是偶数
            return (min.peek() + max.peek()) / 2.0;
        } else { //是奇数
            return max.peek() * 1.0;
        }
    }
}

Based on the flowchart image you provided (文件名: `oTc7DW-vkFr9r4gB4bm-1749534646086`), here is the overall design block diagram of the multi-cycle CPU, with core components and their connections summarized below: --- ### **多周期CPU整体设计框图** #### **核心组件** 1. **程序计数器 (PC)** - 功能:存储下一条指令地址 - 输入:分支目标地址 / PC+4 / 跳转地址 - 输出:当前指令地址 2. **指令存储器 (Instruction Memory)** - 输入:PC 输出的地址 - 输出:当前指令 → 存入 **指令寄存器 (IR)** 3. **指令译码单元 (ID)** - 输入:IR 中的指令 - 输出: - 控制信号 → 控制单元 - 寄存器地址 → 寄存器文件 - 立即数生成 → 扩展器 4. **寄存器文件 (Register File)** - 输入:读寄存器地址 (rs/rt) - 输出:数据 A / 数据 B → 暂存至 **A/B 寄存器** 5. **算术逻辑单元 (ALU)** - 输入: - 数据 A (来自 A 寄存器) - 数据 B (来自多路选择器:B寄存器/立即数) - 输出:运算结果 → **ALU结果寄存器 (ALUOut)** - 功能:执行算术/逻辑运算、地址计算 6. **数据存储器 (Data Memory)** - 输入: - 地址:ALUOut - 写入数据:B寄存器 - 输出:读取数据 → **存储数据寄存器 (MDR)** 7. **多路选择器 (Multiplexers)** - 分布于关键路径: - 选择PC更新来源(PC+4/分支地址/跳转地址) - 选择ALU输入B(寄存器B/立即数) - 选择写回数据(ALUOut/MDR/PC+4) 8. **控制单元 (Control Unit)** - 输入:IR中的操作码 - 输出:**多周期状态控制信号**,包括: - 寄存器写入使能 - 存储器读写控制 - 多路选择器通选择 - ALU操作类型 --- #### **数据流与阶段** ```mermaid graph LR PC --> |地址| InstructionMemory InstructionMemory --> |指令| IR IR --> |译码| ControlUnit & RegisterFile RegisterFile --> |数据A| A RegisterFile --> |数据B| MUX[多路选择器] --> ALU ALU --> |结果| ALUOut ALUOut --> |地址| DataMemory DataMemory --> |读取数据| MDR MDR & ALUOut & PC+4 --> |写回数据| RegisterFile ControlUnit --> |全局控制信号| 所有组件 ``` #### **关键设计特点** 1. **多周期执行** - 每条指令分5阶段完成:取指(IF)→ 译码(ID)→ 执行(EX)→ 访存(MEM)→ 写回(WB) 2. **专用中间寄存器** - 包括 `IR`, `A`, `B`, `ALUOut`, `MDR`,用于保存阶段间传递的数据 3. **集中式控制** - 控制单元根据当前状态(状态机)和操作码生成所有控制信号 4. **动态路径选择** - 多路选择器根据指令类型切换数据源(如分支时PC更新为ALU结果) --- ### **所调用模块关联** - **扩展器 (Extender)**:将立即数扩展为32位 → 输入ALU或地址计算 - **分支计算单元**:集成于ALU,计算 `PC + 偏移量` - **状态机控制器**:隐含在控制单元中,驱动各阶段转换 > 此框图完全对应图中中文标注的流程。如需补充特定细节(如精确控制信号列表),可进一步说明!请根据以上内容生成Mermaid 代码
06-11
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