“取最大的K的数”的两种解法

输入n个整数，输出其中最大的k个。例如输入1，2，3，4，5，6，7和8这8个数字，则最小的4个数字为5，6，7和8。

解法一

开一个容量为K的最小堆。每次来一个数，比较堆顶（最小值）和这个数谁大，如果当前的数更大，就替换掉堆顶。时间复杂度 $O(n \log k)$

优点：对于海量数据（流），可以用$O(k)$的内存搞定

缺点：堆的实现略复杂，建议直接用STL

解法二

用QuickSelect（快速选择）算法，是基于快排的一种变体，平均复杂度为 $O(n)$

优点：平均情况下速度快

缺点：需要保存所有输入数据，并且会修改输入数据，对于海量数据不合适。

代码

包含一些测试写在main()里。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
#include <functional>
#include <algorithm>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;

class MaxKNumberSolver {
public:
    virtual vector<int> Solve(vector<int> &input, int k) = 0;
};

class MaxKNumber_Heap : public MaxKNumberSolver {
public:
    vector<int> Solve(vector<int> &input, int k) {
        priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> heap; // MinHeap
        int n = input.size();
        if (n <= k) return input;
        for (int i = 0; i < k; i++) {
            heap.push(input[i]);
        }
        for (int i = k; i < n; i++) {
            if (input[i] > heap.top()) {
                heap.pop();
                heap.push(input[i]);
            }
        }
        vector<int> result;
        while (!heap.empty()) {
            result.push_back(heap.top());
            heap.pop();
        }
        return result;
    }
};

class MaxKNumber_QuickSelect : public MaxKNumberSolver {
    int partition(vector<int> &input, int first, int last) {
        int i = first;
        for (int j = first; j < last; j++) {
            if (input[j] < input[last]) swap(input[i++], input[j]);
        }
        swap(input[i], input[last]);
        return i;
    }

    int quickSelect(vector<int> &input, int first, int last, int k) {
        int pivot = partition(input, first, last);
        if (pivot == k) return input[k];
        else if (pivot < k) return quickSelect(input, pivot + 1, last, k);
        else if (pivot > k) return quickSelect(input, first, pivot - 1, k);
    }

public:
    vector<int> Solve(vector<int> &input, int k) {
        int n = input.size();
        quickSelect(input, 0, n - 1, n - k);
        vector<int> result;
        for (int i = n - k; i < n; i++) {
            result.push_back(input[i]);
        }
        return result;
    }
};

int main() {
    clock_t cbegin, cend;
    vector<int> test;
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
        test.push_back(rand());
    }
    MaxKNumber_Heap solverHeap;
    MaxKNumber_QuickSelect solverQS;
    cbegin = clock();
    vector<int> r1 = solverHeap.Solve(test, 1000);
    cend = clock();
    printf("MaxKNumber_Heap: %d ms\n", cend - cbegin);
    cbegin = clock();
    vector<int> r2 = solverQS.Solve(test, 1000);
    cend = clock();
    printf("MaxKNumber_QuickSelect: %d ms\n", cend - cbegin);
    sort(r2.begin(), r2.end()); // convenient for comparing
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        if (r1[i] != r2[i]) {
            cout << "Failed\n";
            return 0;
        }
    }
    cout << "Success\n";
}

结果

$n=10^6, k=1000$