hello-algo/codes/csharp/chapter_heap/my_heap.cs

/**
 * File: my_heap.cs
 * Created Time: 2023-02-06
 * Author: zjkung1123 (zjkung1123@gmail.com)
 */

using hello_algo.include;
using NUnit.Framework;

namespace hello_algo.chapter_heap;

/* 大顶堆 */
class MaxHeap
{
    // 使用列表而非数组，这样无需考虑扩容问题
    private readonly List<int> maxHeap;

    /* 构造函数，建立空堆 */
    public MaxHeap()
    {
        maxHeap = new List<int>();
    }

    /* 构造函数，根据输入列表建堆 */
    public MaxHeap(IEnumerable<int> nums)
    {
        // 将列表元素原封不动添加进堆
        maxHeap = new List<int>(nums);
        // 堆化除叶节点以外的其他所有节点
        var size = parent(this.size() - 1);
        for (int i = size; i >= 0; i--)
        {
            siftDown(i);
        }
    }

    /* 获取左子节点索引 */
    int left(int i)
    {
        return 2 * i + 1;
    }

    /* 获取右子节点索引 */
    int right(int i)
    {
        return 2 * i + 2;
    }

    /* 获取父节点索引 */
    int parent(int i)
    {
        return (i - 1) / 2; // 向下整除
    }

    /* 访问堆顶元素 */
    public int peek()
    {
        return maxHeap[0];
    }

    /* 元素入堆 */
    public void push(int val)
    {
        // 添加节点
        maxHeap.Add(val);
        // 从底至顶堆化
        siftUp(size() - 1);
    }

    /* 获取堆大小 */
    public int size()
    {
        return maxHeap.Count;
    }

    /* 判断堆是否为空 */
    public bool isEmpty()
    {
        return size() == 0;
    }

    /* 从节点 i 开始，从底至顶堆化 */
    void siftUp(int i)
    {
        while (true)
        {
            // 获取节点 i 的父节点
            int p = parent(i);
            // 若“越过根节点”或“节点无需修复”，则结束堆化
            if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p])
                break;
            // 交换两节点
            swap(i, p);
            // 循环向上堆化
            i = p;
        }
    }

    /* 元素出堆 */
    public int pop()
    {
        // 判空处理
        if (isEmpty())
            throw new IndexOutOfRangeException();
        // 交换根节点与最右叶节点（即交换首元素与尾元素）
        swap(0, size() - 1);
        // 删除节点
        int val = maxHeap.Last();
        maxHeap.RemoveAt(size() - 1);
        // 从顶至底堆化
        siftDown(0);
        // 返回堆顶元素
        return val;
    }

    /* 从节点 i 开始，从顶至底堆化 */
    void siftDown(int i)
    {
        while (true)
        {
            // 判断节点 i, l, r 中值最大的节点，记为 ma
            int l = left(i), r = right(i), ma = i;
            if (l < size() && maxHeap[l] > maxHeap[ma])
                ma = l;
            if (r < size() && maxHeap[r] > maxHeap[ma])
                ma = r;
            // 若“节点 i 最大”或“越过叶节点”，则结束堆化
            if (ma == i) break;
            // 交换两节点
            swap(i, ma);
            // 循环向下堆化
            i = ma;
        }
    }

    /* 交换元素 */
    void swap(int i, int p)
    {
        (maxHeap[i], maxHeap[p]) = (maxHeap[p], maxHeap[i]);
    }

    /* 打印堆（二叉树） */
    public void print()
    {
        var queue = new Queue<int>(maxHeap);
        PrintUtil.printHeap(queue);
    }
}

public class my_heap
{
    [Test]
    public void Test()
    {
        /* 初始化大顶堆 */
        MaxHeap maxHeap = new MaxHeap(new int[] { 9, 8, 6, 6, 7, 5, 2, 1, 4, 3, 6, 2 });
        Console.WriteLine("\n输入列表并建堆后");
        maxHeap.print();

        /* 获取堆顶元素 */
        int peek = maxHeap.peek();
        Console.WriteLine($"堆顶元素为 {peek}");

        /* 元素入堆 */
        int val = 7;
        maxHeap.push(val);
        Console.WriteLine($"元素 {val} 入堆后");
        maxHeap.print();

        /* 堆顶元素出堆 */
        peek = maxHeap.pop();
        Console.WriteLine($"堆顶元素 {peek} 出堆后");
        maxHeap.print();

        /* 获取堆大小 */
        int size = maxHeap.size();
        Console.WriteLine($"堆元素数量为 {size}");

        /* 判断堆是否为空 */
        bool isEmpty = maxHeap.isEmpty();
        Console.WriteLine($"堆是否为空 {isEmpty}");
    }
}