最大最小堆介绍

最大最小堆

1.     定义:

最小最大堆是一棵完全二叉树,且其中每个元素有一个key数据成员。树的各层交替为最小层和最大层。根结点在最小层。设x是最小最大堆的任意结点。若x在最小(最大)层上,则x中的元素的key值在以x为根的子树的所有元素中是最小(最大)的。位于最小(最大)层的结点称为最小(最大)结点。

2.     特征:

(1) 插入一个具有任意key值的元素

(2) 删除key值最大的元素

(3) 删除key值最小的元素

3.     例如:


4.     插入10

 

template<class Type>

void MinMaxHeap<Type>::Insert(constElement<Type>&x ) {

   if(n == MaxSize ) { MinMaxFull( ); return;}

   n++;

   int p = n/2;       //p是新结点的双亲

   if (!p) {h[1] = x; return;}            // 插入初始时为空的堆

   switch (level(p)) {

      case MIN:

         if (x.key < h[p].key) {           // 沿着最小层检查

            h[n]=h[p];

            VerifyMin(p, x);

         }

         else VerifyMax(n, x);            // 沿着最大层检查

         break;

      case MAX:

         if (x.key > h[p].key) {           // 沿着最大层检查

            h[n]=h[p];

            VerifyMax(p, x);

         }

         else VerifyMin(n, x);             // 沿着最小层检查

   }                           //switch结束

}              // Insert结束 

 

     函数level确定一个结点是位于最小最大堆的最小层,还是位于最大层当élog2(j + 1)ù为偶数时,结点j位于最大层,否则位于最小层

      函数VerifyMax从最大结点i开始,沿着从结点i到最小最大堆的根的路径检查最大结点,查找插入元素x的正确结点。在查找过程中,key值小于x.key的元素被移到下一个最大层

      函数VerifyMin与VerifyMax类似,所不同的是,前者从最小结点i开始,沿着从结点i到根的路径检查最小结点,将元素x插入正确位置。

     分析:由于n个元素的最小最大堆有O(logn)层,成员函数Insert的时间复杂性是O(logn)。

template<class Type>

void MinMaxHeap<Type>::VerifyMax(int i, const Element<KeyType>&x ) {   // 沿着从最大结点i

                                                                            // 到根结点的路径检查最大结点,将x插入正确位置

   for (int gp = i/4; gp&& (x.key > h[gp].key); gp /=4) {    // gp是 i的祖父

      h[i] = h[gp];             // 将h[gp]移到h[i]

      i = gp;

   }

   h[i] = x;         // 将x插入结点i

}

5.     删除最小节点


一般而言,将元素x插入根结点为空的最小最大堆h中有两种情况需要考虑:

(1) 根结点无子女,这时可将x插入根结点中。

(2) 根结点至少有一个子女。这时堆中的最小元素(不算元素x)位于根结点的子女结点或孙子女结点(最多6个)之一。

假设该结点的编号为k,则还需要考虑下列可能性:

         (a)  x.key≤h[k].key。由于h中不存在比x更小的元素,所以x可插入根。

         (b)  x.key > h[k].key且k是根的子女。由于k是最大结点,其后代的key值都不大于h[k].key,因而也不大于x.key。所以可将元素h[k]移到根,并将元素x插入结点k。

          (c)  x.key > h[k].key且k是根的孙子女。这时也可将元素h[k]移到根。设p是k的双亲。若x.key> h[p].key,则将x 和h[p]交换。这时,问题转化为将x插入以k为根的子堆中,且h[k]已腾空。这与初始插入根结点为空的最小最大堆h的情形类似。

template<class Type>

Element<Type>*MinMaxHeap<Type>::  DeleteMin(Element<Type>&y){   // 从最小最大堆中删除并返回最小元素

   if (!n) { MinMaxEmpty( );return 0; }

   y = h[1];            // 保存根元素

   Element<Type> x = h[n--];                      

   inti = 1, j = n/2;              // 为重新插入x作初始化,寻找插入x的位置

   while (i <= j) { // i 有子女,情况(2)

      int k = MinChildGrandChild(i);

      if (x.key <= h[k].key)

         break;          // 情况 2(a),可将x 插入h[i]

   else { //情况2(b)或 (c)

         h[i] = h[k];

         if (k <= 2*i+1) {  // k 是i的子女,情况2(b)

            i = k;                           // 可将x插入h[k]

            break;

        }

         else {            // k是i的孙子女,情况2(c)

            int p = k/2;              // p是k的双亲

            if (x.key > h[p].key) {

               Element<Type> t = h[p];h[p] = x; x = t;

            }

         }     // if (k<=2*i+1)结束

         i = k;

      }        //if (x.key<=h[k].key)结束

}              // while结束

   h[i] = x;              // 注意,即使现在n == 0,对h[1] 赋值也没错,这样简化边界判断

   return &y;

}

其中又用到私有成员函数MinChildGrandChild(i),该函数返回结点i的子女结点或孙子女结点中含最小元素的结点。

     如果i的子女结点或孙子女结点都含最小元素,则MinChildGrandChild返回子女结点,这样可以避免DeleteMin中while循环的进一步迭代。

     分析:while循环的每次迭代需O(1)时间,且每经过一次迭代(可能除了最后一次以外),i都下移两层。由于n个元素的最小最大堆有O(logn)层,DeleteMin的时间复杂性是O(logn)。

 


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