数据结构学习笔记六：二叉堆

数据结构学习笔记六：二叉堆

二叉堆的介绍

二叉堆是完全二元树或者是近似完全二元树，按照数据的排列方式可以分为两种：最大堆和最小堆。
最大堆：父结点的键值总是大于或等于任何一个子节点的键值；最小堆：父结点的键值总是小于或等于任何一个子节点的键值。

二叉堆一般都通过"数组"来实现，下面是数组实现的最大堆和最小堆的示意图：

二叉堆的图文解析

图文解析是以"最大堆"来进行介绍的。
最大堆的核心内容是"添加"和"删除"，理解这两个算法，二叉堆也就基本掌握了。下面对它们进行介绍，其它内容请参考后面的完整源码。

1. 添加

假设在最大堆[90,80,70,60,40,30,20,10,50]种添加85，需要执行的步骤如下：
如上图所示，当向最大堆中添加数据时：先将数据加入到最大堆的最后，然后尽可能把这个元素往上挪，直到挪不动为止！
将85添加到[90,80,70,60,40,30,20,10,50]中后，最大堆变成了[90,85,70,60,80,30,20,10,50,40]。

2.删除

假设从最大堆[90,85,70,60,80,30,20,10,50,40]中删除90，需要执行的步骤如下：
如上图所示，当从最大堆中删除数据时：先删除该数据，然后用最大堆中最后一个的元素插入这个空位；接着，把这个“空位”尽量往上挪，直到剩余的数据变成一个最大堆。
从[90,85,70,60,80,30,20,10,50,40]删除90之后，最大堆变成了[85,80,70,60,40,30,20,10,50]。

注意：考虑从最大堆[90,85,70,60,80,30,20,10,50,40]中删除60，执行的步骤不能单纯的用它的字节点来替换；而必须考虑到"替换后的树仍然要是最大堆"！

二叉堆的实现

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MaxHeap<T> extends Comparable<T>>{
	private List<T> mHeap;
	public MaxHeap(){
		this.mHeap = new ArrayListt<T>();
	}

	protected void filterdown(int start, int end){
		int c = start;
		int l = 2*c+1;
		T cmp = mHeap.get(c);
		
		while(l <= end){
			int cmp = mHeap.get(l).comparableTo(mHeap.get(l+1));
			if(l<end && cmp<0){
				l++;
			}
			cmp = tmp.compareTo(mHeap.get(l));
			if(cmp>0){
				break;
			}else{
				mHeap.set(c,mHeap.get(l));
				c=l;
				l=2*l+1;
			}
			mHeap.set(c,tmp);
	 }
	
	
    /*
     * 删除最大堆中的data
     *
     * 返回值：
     *      0，成功
     *     -1，失败
     */
    public int remove(T data) {
        // 如果"堆"已空，则返回-1
        if(mHeap.isEmpty() == true)
            return -1;

        // 获取data在数组中的索引
        int index = mHeap.indexOf(data);
        if (index==-1)
            return -1;

        int size = mHeap.size();
        mHeap.set(index, mHeap.get(size-1));// 用最后元素填补
        mHeap.remove(size - 1);                // 删除最后的元素

        if (mHeap.size() > 1)
            filterdown(index, mHeap.size()-1);    // 从index号位置开始自上向下调整为最小堆

        return 0;
    }

    /*
     * 最大堆的向上调整算法(从start开始向上直到0，调整堆)
     *
     * 注：数组实现的堆中，第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1)，右孩子的索引是(2N+2)。
     *
     * 参数说明：
     *     start -- 被上调节点的起始位置(一般为数组中最后一个元素的索引)
     */
    protected void filterup(int start) {
        int c = start;            // 当前节点(current)的位置
        int p = (c-1)/2;        // 父(parent)结点的位置 
        T tmp = mHeap.get(c);        // 当前节点(current)的大小

        while(c > 0) {
            int cmp = mHeap.get(p).compareTo(tmp);
            if(cmp >= 0)
                break;
            else {
                mHeap.set(c, mHeap.get(p));
                c = p;
                p = (p-1)/2;   
            }       
        }
        mHeap.set(c, tmp);
    }
      
    /* 
     * 将data插入到二叉堆中
     */
    public void insert(T data) {
        int size = mHeap.size();

        mHeap.add(data);    // 将"数组"插在表尾
        filterup(size);        // 向上调整堆
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i=0; i<mHeap.size(); i++)
            sb.append(mHeap.get(i) +" ");

        return sb.toString();
    }