堆 05 索引堆

代码实现

• 索引堆中会维护两个数组data和indexes；
• 初始化时索引和数据的绑定关系会维持到永久；
• 索引和数据的关系是：不论你数据以后是“穷”是“富”，我索引都只会跟着你，不会和别的数据跑了；索引是数据的代理，实际上索引数组indexes的heapify还是拿data中的值做比较的，不会拿着indexes中的值比大小，数据对应的索引代表数据在indexes中上浮下沉，data中的数据是不会乱动的；
• 用户是面向数据数组data编程的；
• 索引和数据的关系是在用户传入时就绑定了的，索引在堆中的位置就是数据本应该在堆中的位置；

package bobo.algo;

import java.util.*;
import java.lang.*;

// 最大索引堆
public class IndexMaxHeap<Item extends Comparable> {

    protected Item[] data;      // 最大索引堆中的数据
    protected int[] indexes;    // 最大索引堆中的索引
    protected int count;
    protected int capacity;

    // 构造函数, 构造一个空堆, 可容纳capacity个元素
    public IndexMaxHeap(int capacity){
        data = (Item[])new Comparable[capacity+1];
        indexes = new int[capacity+1];
        count = 0;
        this.capacity = capacity;
    }

    // 返回索引堆中的元素个数
    public int size(){
        return count;
    }

    // 返回一个布尔值, 表示索引堆中是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return count == 0;
    }

    // 向最大索引堆中插入一个新的元素, 新元素的索引为i, 元素为item
    // 传入的i对用户而言,是从0索引的
    public void insert(int i, Item item){

        assert count + 1 <= capacity;
        assert i + 1 >= 1 && i + 1 <= capacity;

        i += 1;
        data[i] = item;
        indexes[count+1] = i;
        count ++;

        shiftUp(count);
    }

    // 从最大索引堆中取出堆顶元素, 即索引堆中所存储的最大数据
    public Item extractMax(){
        assert count > 0;

        Item ret = data[indexes[1]];
        swapIndexes( 1 , count );
        count --;
        shiftDown(1);

        return ret;
    }

    // 从最大索引堆中取出堆顶元素的索引
    public int extractMaxIndex(){
        assert count > 0;

        int ret = indexes[1] - 1;
        swapIndexes( 1 , count );
        count --;
        shiftDown(1);

        return ret;
    }

    // 获取最大索引堆中的堆顶元素
    public Item getMax(){
        assert count > 0;
        return data[indexes[1]];
    }

    // 获取最大索引堆中的堆顶元素的索引
    public int getMaxIndex(){
        assert count > 0;
        return indexes[1]-1;
    }

    // 获取最大索引堆中索引为i的元素
    public Item getItem( int i ){
        assert i + 1 >= 1 && i + 1 <= capacity;
        return data[i+1];
    }

    // 将最大索引堆中索引为i的元素修改为newItem
    public void change( int i , Item newItem ){

        i += 1;
        data[i] = newItem;

        // 找到indexes[j] = i, j表示data[i]在堆中的位置
        // 之后shiftUp(j), 再shiftDown(j)
        for( int j = 1 ; j <= count ; j ++ )
            if( indexes[j] == i ){
                shiftUp(j);
                shiftDown(j);
                return;
            }
    }

    // 交换索引堆中的索引i和j
    private void swapIndexes(int i, int j){
        int t = indexes[i];
        indexes[i] = indexes[j];
        indexes[j] = t;
    }

    //********************
    //* 最大索引堆核心辅助函数
    //********************3

    // 索引堆中, 数据之间的比较根据data的大小进行比较, 但实际操作的是索引
    private void shiftUp(int k){

        while( k > 1 && data[indexes[k/2]].compareTo(data[indexes[k]]) < 0 ){
            swapIndexes(k, k/2);
            k /= 2;
        }
    }

    // 索引堆中, 数据之间的比较根据data的大小进行比较, 但实际操作的是索引
    private void shiftDown(int k){

        while( 2*k <= count ){
            int j = 2*k;
            if( j+1 <= count && data[indexes[j+1]].compareTo(data[indexes[j]]) > 0 )
                j ++;

            if( data[indexes[k]].compareTo(data[indexes[j]]) >= 0 )
                break;

            swapIndexes(k, j);
            k = j;
        }
    }

    // 测试索引堆中的索引数组index
    // 注意:这个测试在向堆中插入元素以后, 不进行extract操作有效
    public boolean testIndexes(){

        int[] copyIndexes = new int[count+1];

        for( int i = 0 ; i <= count ; i ++ )
            copyIndexes[i] = indexes[i];

        copyIndexes[0] = 0;
        Arrays.sort(copyIndexes);

        // 在对索引堆中的索引进行排序后, 应该正好是1...count这count个索引
        boolean res = true;
        for( int i = 1 ; i <= count ; i ++ )
            if( copyIndexes[i-1] + 1 != copyIndexes[i] ){
                res = false;
                break;
            }

        if( !res ){
            System.out.println("Error!");
            return false;
        }

        return true;
    }

    // 测试 IndexMaxHeap
    public static void main(String[] args) {

        int N = 1000000;
        IndexMaxHeap<Integer> indexMaxHeap = new IndexMaxHeap<Integer>(N);
        for( int i = 0 ; i < N ; i ++ )
            indexMaxHeap.insert( i , (int)(Math.random()*N) );
        assert indexMaxHeap.testIndexes();
    }
}