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comments: true
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# 堆
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「堆 Heap」是一颗限定条件下的「完全二叉树」。根据成立条件，堆主要分为两种类型：
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- 「大顶堆 Max Heap」，任意结点的值 $\geq$ 其子结点的值；
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- 「小顶堆 Min Heap」，任意结点的值 $\leq$ 其子结点的值；
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## 堆术语与性质
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- 由于堆是完全二叉树，因此最底层结点靠左填充，其它层结点皆被填满。
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- 二叉树中的根结点对应「堆顶」，底层最靠右结点对应「堆底」。
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- 对于大顶堆 / 小顶堆，其堆顶元素（即根结点）的值最大 / 最小。
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## 堆常用操作
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值得说明的是，多数编程语言提供的是「优先队列 Priority Queue」，其是一种抽象数据结构，**定义为具有出队优先级的队列**。
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而恰好，**堆的定义与优先队列的操作逻辑完全吻合**，大顶堆就是一个元素从大到小出队的优先队列。从使用角度看，我们可以将「优先队列」和「堆」理解为等价的数据结构。因此，本文与代码对两者不做特别区分，统一使用「堆」来命名。
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堆的常用操作见下表（方法命名以 Java 为例）。
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<p align="center"> Table. 堆的常用操作 </p>
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<div class="center-table" markdown>
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| 方法 | 描述 | 时间复杂度 |
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| --------- | -------------------------------------------- | ----------- |
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| add() | 元素入堆 | $O(\log n)$ |
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| poll() | 堆顶元素出堆 | $O(\log n)$ |
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| peek() | 访问堆顶元素（大 / 小顶堆分别为最大 / 小值） | $O(1)$ |
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| size() | 获取堆的元素数量 | $O(1)$ |
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| isEmpty() | 判断堆是否为空 | $O(1)$ |
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</div>
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我们可以直接使用编程语言提供的堆类（或优先队列类）。
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!!! tip
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类似于排序中“从小到大排列”和“从大到小排列”，“大顶堆”和“小顶堆”可仅通过修改 Comparator 来互相转换。
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=== "Java"
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```java title="heap.java"
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/* 初始化堆 */
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// 初始化小顶堆
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Queue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>();
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// 初始化大顶堆（使用 lambda 表达式修改 Comparator 即可）
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Queue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> { return b - a; });
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/* 元素入堆 */
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maxHeap.add(1);
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maxHeap.add(3);
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maxHeap.add(2);
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maxHeap.add(5);
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maxHeap.add(4);
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/* 获取堆顶元素 */
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int peek = maxHeap.peek(); // 5
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/* 堆顶元素出堆 */
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// 出堆元素会形成一个从大到小的序列
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peek = heap.poll(); // 5
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peek = heap.poll(); // 4
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peek = heap.poll(); // 3
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peek = heap.poll(); // 2
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peek = heap.poll(); // 1
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/* 获取堆大小 */
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int size = maxHeap.size();
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/* 判断堆是否为空 */
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boolean isEmpty = maxHeap.isEmpty();
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/* 输入列表并建堆 */
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minHeap = new PriorityQueue<>(Arrays.asList(1, 3, 2, 5, 4));
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```
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=== "C++"
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```cpp title="heap.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="heap.py"
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```
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=== "Go"
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```go title="heap.go"
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// Go 语言中可以通过实现 heap.Interface 来构建整数大顶堆
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// 实现 heap.Interface 需要同时实现 sort.Interface
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type intHeap []any
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// Push heap.Interface 的方法，实现推入元素到堆
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func (h *intHeap) Push(x any) {
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// Push 和 Pop 使用 pointer receiver 作为参数
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// 因为它们不仅会对切片的内容进行调整，还会修改切片的长度。
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*h = append(*h, x.(int))
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}
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// Pop heap.Interface 的方法，实现弹出堆顶元素
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func (h *intHeap) Pop() any {
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// 待出堆元素存放在最后
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last := (*h)[len(*h)-1]
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*h = (*h)[:len(*h)-1]
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return last
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}
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// Len sort.Interface 的方法
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func (h *intHeap) Len() int {
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return len(*h)
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}
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// Less sort.Interface 的方法
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func (h *intHeap) Less(i, j int) bool {
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// 如果实现小顶堆，则需要调整为小于号
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return (*h)[i].(int) > (*h)[j].(int)
|
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|
}
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// Swap sort.Interface 的方法
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func (h *intHeap) Swap(i, j int) {
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(*h)[i], (*h)[j] = (*h)[j], (*h)[i]
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}
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// Top 获取堆顶元素
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func (h *intHeap) Top() any {
|
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|
return (*h)[0]
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}
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/* Driver Code */
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func TestHeap(t *testing.T) {
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/* 初始化堆 */
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// 初始化大顶堆
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maxHeap := &intHeap{}
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heap.Init(maxHeap)
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/* 元素入堆 */
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// 调用 heap.Interface 的方法，来添加元素
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heap.Push(maxHeap, 1)
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heap.Push(maxHeap, 3)
|
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|
heap.Push(maxHeap, 2)
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|
heap.Push(maxHeap, 4)
|
|
|
heap.Push(maxHeap, 5)
|
|
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/* 获取堆顶元素 */
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|
top := maxHeap.Top()
|
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|
fmt.Printf("堆顶元素为 %d\n", top)
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/* 堆顶元素出堆 */
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|
// 调用 heap.Interface 的方法，来移除元素
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|
heap.Pop(maxHeap)
|
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|
heap.Pop(maxHeap)
|
|
|
heap.Pop(maxHeap)
|
|
|
heap.Pop(maxHeap)
|
|
|
heap.Pop(maxHeap)
|
|
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/* 获取堆大小 */
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size := len(*maxHeap)
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|
|
fmt.Printf("堆元素数量为 %d\n", size)
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/* 判断堆是否为空 */
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|
isEmpty := len(*maxHeap) == 0
|
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|
fmt.Printf("堆是否为空 %t\n", isEmpty)
|
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|
}
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|
|
```
|
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|
|
|
=== "JavaScript"
|
|
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|
|
|
```js title="heap.js"
|
|
|
|
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|
```
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=== "TypeScript"
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|
|
|
```typescript title="heap.ts"
|
|
|
|
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|
```
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|
=== "C"
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|
|
|
```c title="heap.c"
|
|
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|
```
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=== "C#"
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|
```csharp title="heap.cs"
|
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```
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=== "Swift"
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```swift title="heap.swift"
|
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|
// Swift 未提供内置 heap 类
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```
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## 堆的实现
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下文实现的是「大顶堆」，若想转换为「小顶堆」，将所有大小逻辑判断取逆（例如将 $\geq$ 替换为 $\leq$ ）即可，有兴趣的同学可自行实现。
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### 堆的存储与表示
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在二叉树章节我们学过，「完全二叉树」非常适合使用「数组」来表示，而堆恰好是一颗完全二叉树，**因而我们采用「数组」来存储「堆」**。
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**二叉树指针**。使用数组表示二叉树时，元素代表结点值，索引代表结点在二叉树中的位置，**而结点指针通过索引映射公式来实现**。
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具体地，给定索引 $i$ ，那么其左子结点索引为 $2i + 1$ 、右子结点索引为 $2i + 2$ 、父结点索引为 $(i - 1) / 2$ （向下整除）。当索引越界时，代表空结点或结点不存在。
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我们将索引映射公式封装成函数，以便后续使用。
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=== "Java"
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|
```java title="my_heap.java"
|
|
|
// 使用列表而非数组，这样无需考虑扩容问题
|
|
|
List<Integer> maxHeap;
|
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|
|
|
/* 构造函数，建立空堆 */
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|
|
public MaxHeap() {
|
|
|
maxHeap = new ArrayList<>();
|
|
|
}
|
|
|
|
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|
/* 获取左子结点索引 */
|
|
|
int left(int i) {
|
|
|
return 2 * i + 1;
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取右子结点索引 */
|
|
|
int right(int i) {
|
|
|
return 2 * i + 2;
|
|
|
}
|
|
|
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|
/* 获取父结点索引 */
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|
int parent(int i) {
|
|
|
return (i - 1) / 2; // 向下整除
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
|
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|
=== "C++"
|
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|
|
|
|
```cpp title="my_heap.cpp"
|
|
|
|
|
|
```
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|
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
|
|
```python title="my_heap.py"
|
|
|
|
|
|
```
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|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
|
|
```go title="my_heap.go"
|
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|
type maxHeap struct {
|
|
|
// 使用切片而非数组，这样无需考虑扩容问题
|
|
|
data []any
|
|
|
}
|
|
|
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|
|
/* 构造函数，建立空堆 */
|
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|
func newHeap() *maxHeap {
|
|
|
return &maxHeap{
|
|
|
data: make([]any, 0),
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取左子结点索引 */
|
|
|
func (h *maxHeap) left(i int) int {
|
|
|
return 2*i + 1
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取右子结点索引 */
|
|
|
func (h *maxHeap) right(i int) int {
|
|
|
return 2*i + 2
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取父结点索引 */
|
|
|
func (h *maxHeap) parent(i int) int {
|
|
|
// 向下整除
|
|
|
return (i - 1) / 2
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "JavaScript"
|
|
|
|
|
|
```js title="my_heap.js"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "TypeScript"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="my_heap.ts"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="my_heap.c"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="my_heap.cs"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="my_heap.swift"
|
|
|
var maxHeap: [Int]
|
|
|
|
|
|
/* 构造函数，建立空堆 */
|
|
|
init() {
|
|
|
maxHeap = []
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取左子结点索引 */
|
|
|
func left(i: Int) -> Int {
|
|
|
2 * i + 1
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取右子结点索引 */
|
|
|
func right(i: Int) -> Int {
|
|
|
2 * i + 2
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 获取父结点索引 */
|
|
|
func parent(i: Int) -> Int {
|
|
|
(i - 1) / 2 // 向下整除
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|
|
}
|
|
|
```
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|
### 访问堆顶元素
|
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堆顶元素是二叉树的根结点，即列表首元素。
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=== "Java"
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|
```java title="my_heap.java"
|
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|
/* 访问堆顶元素 */
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public int peek() {
|
|
|
return maxHeap.get(0);
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
=== "C++"
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|
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|
```cpp title="my_heap.cpp"
|
|
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|
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|
```
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|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
|
|
```python title="my_heap.py"
|
|
|
|
|
|
```
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|
|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
|
|
```go title="my_heap.go"
|
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|
/* 访问堆顶元素 */
|
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|
func (h *maxHeap) peek() any {
|
|
|
return h.data[0]
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
|
|
|
|
=== "JavaScript"
|
|
|
|
|
|
```js title="my_heap.js"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "TypeScript"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="my_heap.ts"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="my_heap.c"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="my_heap.cs"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="my_heap.swift"
|
|
|
/* 访问堆顶元素 */
|
|
|
func peek() -> Int {
|
|
|
maxHeap[0]
|
|
|
}
|
|
|
```
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|
|
|
|
### 元素入堆
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给定元素 `val` ，我们先将其添加到堆底。添加后，由于 `val` 可能大于堆中其它元素，此时堆的成立条件可能已经被破坏，**因此需要修复从插入结点到根结点这条路径上的各个结点**，该操作被称为「堆化 Heapify」。
|
|
|
|
|
|
考虑从入堆结点开始，**从底至顶执行堆化**。具体地，比较插入结点与其父结点的值，若插入结点更大则将它们交换；并循环以上操作，从底至顶地修复堆中的各个结点；直至越过根结点时结束，或当遇到无需交换的结点时提前结束。
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|
|
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|
=== "Step 1"
|
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|
|
|
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|
=== "Step 2"
|
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|
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|
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|
=== "Step 3"
|
|
|
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|
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|
=== "Step 4"
|
|
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|
=== "Step 5"
|
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=== "Step 6"
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设结点总数为 $n$ ，则树的高度为 $O(\log n)$ ，易得堆化操作的循环轮数最多为 $O(\log n)$ ，**因而元素入堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。
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|
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|
=== "Java"
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|
|
|
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```java title="my_heap.java"
|
|
|
/* 元素入堆 */
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void push(int val) {
|
|
|
// 添加结点
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|
|
maxHeap.add(val);
|
|
|
// 从底至顶堆化
|
|
|
siftUp(size() - 1);
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 从结点 i 开始，从底至顶堆化 */
|
|
|
void siftUp(int i) {
|
|
|
while (true) {
|
|
|
// 获取结点 i 的父结点
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|
int p = parent(i);
|
|
|
// 若“越过根结点”或“结点无需修复”，则结束堆化
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|
|
if (p < 0 || maxHeap.get(i) <= maxHeap.get(p))
|
|
|
break;
|
|
|
// 交换两结点
|
|
|
swap(i, p);
|
|
|
// 循环向上堆化
|
|
|
i = p;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C++"
|
|
|
|
|
|
```cpp title="my_heap.cpp"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
|
|
```python title="my_heap.py"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
|
|
```go title="my_heap.go"
|
|
|
/* 元素入堆 */
|
|
|
func (h *maxHeap) push(val any) {
|
|
|
// 添加结点
|
|
|
h.data = append(h.data, val)
|
|
|
// 从底至顶堆化
|
|
|
h.siftUp(len(h.data) - 1)
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 从结点 i 开始，从底至顶堆化 */
|
|
|
func (h *maxHeap) siftUp(i int) {
|
|
|
for true {
|
|
|
// 获取结点 i 的父结点
|
|
|
p := h.parent(i)
|
|
|
// 当“越过根结点”或“结点无需修复”时，结束堆化
|
|
|
if p < 0 || h.data[i].(int) <= h.data[p].(int) {
|
|
|
break
|
|
|
}
|
|
|
// 交换两结点
|
|
|
h.swap(i, p)
|
|
|
// 循环向上堆化
|
|
|
i = p
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
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|
=== "JavaScript"
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|
|
|
|
|
```js title="my_heap.js"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "TypeScript"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="my_heap.ts"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="my_heap.c"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="my_heap.cs"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="my_heap.swift"
|
|
|
/* 元素入堆 */
|
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|
func push(val: Int) {
|
|
|
// 添加结点
|
|
|
maxHeap.append(val)
|
|
|
// 从底至顶堆化
|
|
|
siftUp(i: size() - 1)
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 从结点 i 开始，从底至顶堆化 */
|
|
|
func siftUp(i: Int) {
|
|
|
var i = i
|
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|
while true {
|
|
|
// 获取结点 i 的父结点
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|
|
let p = parent(i: i)
|
|
|
// 当“越过根结点”或“结点无需修复”时，结束堆化
|
|
|
if p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p] {
|
|
|
break
|
|
|
}
|
|
|
// 交换两结点
|
|
|
swap(i: i, j: p)
|
|
|
// 循环向上堆化
|
|
|
i = p
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
### 堆顶元素出堆
|
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|
堆顶元素是二叉树根结点，即列表首元素，如果我们直接将首元素从列表中删除，则二叉树中所有结点都会随之发生移位（索引发生变化），这样后续使用堆化修复就很麻烦了。为了尽量减少元素索引变动，采取以下操作步骤：
|
|
|
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|
|
1. 交换堆顶元素与堆底元素（即交换根结点与最右叶结点）；
|
|
|
2. 交换完成后，将堆底从列表中删除（注意，因为已经交换，实际上删除的是原来的堆顶元素）；
|
|
|
3. 从根结点开始，**从顶至底执行堆化**；
|
|
|
|
|
|
顾名思义，**从顶至底堆化的操作方向与从底至顶堆化相反**，我们比较根结点的值与其两个子结点的值，将最大的子结点与根结点执行交换，并循环以上操作，直到越过叶结点时结束，或当遇到无需交换的结点时提前结束。
|
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=== "Step 1"
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=== "Step 2"
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=== "Step 3"
|
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=== "Step 4"
|
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=== "Step 5"
|
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|
=== "Step 6"
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=== "Step 7"
|
|
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=== "Step 8"
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|
=== "Step 9"
|
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=== "Step 10"
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|
与元素入堆操作类似，**堆顶元素出堆操作的时间复杂度为 $O(\log n)$** 。
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=== "Java"
|
|
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|
|
|
```java title="my_heap.java"
|
|
|
/* 元素出堆 */
|
|
|
int poll() {
|
|
|
// 判空处理
|
|
|
if (isEmpty())
|
|
|
throw new EmptyStackException();
|
|
|
// 交换根结点与最右叶结点（即交换首元素与尾元素）
|
|
|
swap(0, size() - 1);
|
|
|
// 删除结点
|
|
|
int val = maxHeap.remove(size() - 1);
|
|
|
// 从顶至底堆化
|
|
|
siftDown(0);
|
|
|
// 返回堆顶元素
|
|
|
return val;
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 从结点 i 开始，从顶至底堆化 */
|
|
|
void siftDown(int i) {
|
|
|
while (true) {
|
|
|
// 判断结点 i, l, r 中值最大的结点，记为 ma
|
|
|
int l = left(i), r = right(i), ma = i;
|
|
|
if (l < size() && maxHeap.get(l) > maxHeap.get(ma))
|
|
|
ma = l;
|
|
|
if (r < size() && maxHeap.get(r) > maxHeap.get(ma))
|
|
|
ma = r;
|
|
|
// 若“结点 i 最大”或“越过叶结点”，则结束堆化
|
|
|
if (ma == i) break;
|
|
|
// 交换两结点
|
|
|
swap(i, ma);
|
|
|
// 循环向下堆化
|
|
|
i = ma;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C++"
|
|
|
|
|
|
```cpp title="my_heap.cpp"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
|
|
```python title="my_heap.py"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
|
|
```go title="my_heap.go"
|
|
|
/* 元素出堆 */
|
|
|
func (h *maxHeap) poll() any {
|
|
|
// 判空处理
|
|
|
if h.isEmpty() {
|
|
|
fmt.Println("error")
|
|
|
return nil
|
|
|
}
|
|
|
// 交换根结点与最右叶结点（即交换首元素与尾元素）
|
|
|
h.swap(0, h.size()-1)
|
|
|
// 删除结点
|
|
|
val := h.data[len(h.data)-1]
|
|
|
h.data = h.data[:len(h.data)-1]
|
|
|
// 从顶至底堆化
|
|
|
h.siftDown(0)
|
|
|
|
|
|
// 返回堆顶元素
|
|
|
return val
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 从结点 i 开始，从顶至底堆化 */
|
|
|
func (h *maxHeap) siftDown(i int) {
|
|
|
for true {
|
|
|
// 判断结点 i, l, r 中值最大的结点，记为 max
|
|
|
l, r, max := h.left(i), h.right(i), i
|
|
|
if l < h.size() && h.data[l].(int) > h.data[max].(int) {
|
|
|
max = l
|
|
|
}
|
|
|
if r < h.size() && h.data[r].(int) > h.data[max].(int) {
|
|
|
max = r
|
|
|
}
|
|
|
// 若结点 i 最大或索引 l, r 越界，则无需继续堆化，跳出
|
|
|
if max == i {
|
|
|
break
|
|
|
}
|
|
|
// 交换两结点
|
|
|
h.swap(i, max)
|
|
|
// 循环向下堆化
|
|
|
i = max
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "JavaScript"
|
|
|
|
|
|
```js title="my_heap.js"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "TypeScript"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="my_heap.ts"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="my_heap.c"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="my_heap.cs"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="my_heap.swift"
|
|
|
/* 元素出堆 */
|
|
|
func poll() -> Int {
|
|
|
// 判空处理
|
|
|
if isEmpty() {
|
|
|
fatalError("堆为空")
|
|
|
}
|
|
|
// 交换根结点与最右叶结点（即交换首元素与尾元素）
|
|
|
swap(i: 0, j: size() - 1)
|
|
|
// 删除结点
|
|
|
let val = maxHeap.remove(at: size() - 1)
|
|
|
// 从顶至底堆化
|
|
|
siftDown(i: 0)
|
|
|
// 返回堆顶元素
|
|
|
return val
|
|
|
}
|
|
|
|
|
|
/* 从结点 i 开始，从顶至底堆化 */
|
|
|
func siftDown(i: Int) {
|
|
|
var i = i
|
|
|
while true {
|
|
|
// 判断结点 i, l, r 中值最大的结点，记为 ma
|
|
|
let l = left(i: i)
|
|
|
let r = right(i: i)
|
|
|
var ma = i
|
|
|
if l < size(), maxHeap[l] > maxHeap[ma] {
|
|
|
ma = l
|
|
|
}
|
|
|
if r < size(), maxHeap[r] > maxHeap[ma] {
|
|
|
ma = r
|
|
|
}
|
|
|
// 若结点 i 最大或索引 l, r 越界，则无需继续堆化，跳出
|
|
|
if ma == i {
|
|
|
break
|
|
|
}
|
|
|
// 交换两结点
|
|
|
swap(i: i, j: ma)
|
|
|
// 循环向下堆化
|
|
|
i = ma
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
### 输入数据并建堆 *
|
|
|
|
|
|
如果我们想要直接输入一个列表并将其建堆，那么该怎么做呢？最直接地，考虑使用「元素入堆」方法，将列表元素依次入堆。元素入堆的时间复杂度为 $O(n)$ ，而平均长度为 $\frac{n}{2}$ ，因此该方法的总体时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。
|
|
|
|
|
|
然而，存在一种更加优雅的建堆方法。设结点数量为 $n$ ，我们先将列表所有元素原封不动添加进堆，**然后迭代地对各个结点执行「从顶至底堆化」**。当然，**无需对叶结点执行堆化**，因为其没有子结点。
|
|
|
|
|
|
=== "Java"
|
|
|
|
|
|
```java title="my_heap.java"
|
|
|
/* 构造函数，根据输入列表建堆 */
|
|
|
public MaxHeap(List<Integer> nums) {
|
|
|
// 将列表元素原封不动添加进堆
|
|
|
maxHeap = new ArrayList<>(nums);
|
|
|
// 堆化除叶结点以外的其他所有结点
|
|
|
for (int i = parent(size() - 1); i >= 0; i--) {
|
|
|
siftDown(i);
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C++"
|
|
|
|
|
|
```cpp title="my_heap.cpp"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Python"
|
|
|
|
|
|
```python title="my_heap.py"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Go"
|
|
|
|
|
|
```go title="my_heap.go"
|
|
|
/* 构造函数，根据切片建堆 */
|
|
|
func newMaxHeap(nums []any) *maxHeap {
|
|
|
// 将列表元素原封不动添加进堆
|
|
|
h := &maxHeap{data: nums}
|
|
|
// 堆化除叶结点以外的其他所有结点
|
|
|
for i := len(h.data) - 1; i >= 0; i-- {
|
|
|
h.siftDown(i)
|
|
|
}
|
|
|
return h
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "JavaScript"
|
|
|
|
|
|
```js title="my_heap.js"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "TypeScript"
|
|
|
|
|
|
```typescript title="my_heap.ts"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C"
|
|
|
|
|
|
```c title="my_heap.c"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "C#"
|
|
|
|
|
|
```csharp title="my_heap.cs"
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
=== "Swift"
|
|
|
|
|
|
```swift title="my_heap.swift"
|
|
|
/* 构造函数，根据输入列表建堆 */
|
|
|
init(nums: [Int]) {
|
|
|
// 将列表元素原封不动添加进堆
|
|
|
maxHeap = nums
|
|
|
// 堆化除叶结点以外的其他所有结点
|
|
|
for i in stride(from: parent(i: size() - 1), through: 0, by: -1) {
|
|
|
siftDown(i: i)
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
```
|
|
|
|
|
|
那么，第二种建堆方法的时间复杂度时多少呢？我们来做一下简单推算。
|
|
|
|
|
|
- 完全二叉树中，设结点总数为 $n$ ，则叶结点数量为 $(n + 1) / 2$ ，其中 $/$ 为向下整除。因此在排除叶结点后，需要堆化结点数量为 $(n - 1)/2$ ，即为 $O(n)$ ；
|
|
|
- 从顶至底堆化中，每个结点最多堆化至叶结点，因此最大迭代次数为二叉树高度 $O(\log n)$ ；
|
|
|
|
|
|
将上述两者相乘，可得时间复杂度为 $O(n \log n)$ 。然而，该估算结果仍不够准确，因为我们没有考虑到 **二叉树底层结点远多于顶层结点** 的性质。
|
|
|
|
|
|
下面我们来尝试展开计算。为了减小计算难度，我们假设树是一个「完美二叉树」，该假设不会影响计算结果的正确性。设二叉树（即堆）结点数量为 $n$ ，树高度为 $h$ 。上文提到，**结点堆化最大迭代次数等于该结点到叶结点的距离，而这正是“结点高度”**。因此，我们将各层的“结点数量 $\times$ 结点高度”求和，即可得到所有结点的堆化的迭代次数总和。
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|
|
|
|
|
$$
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|
|
T(h) = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{(h-1)}\times1
|
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|
$$
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
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|
化简上式需要借助中学的数列知识，先对 $T(h)$ 乘以 $2$ ，易得
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|
$$
|
|
|
\begin{aligned}
|
|
|
T(h) & = 2^0h + 2^1(h-1) + 2^2(h-2) + \cdots + 2^{h-1}\times1 \newline
|
|
|
2 T(h) & = 2^1h + 2^2(h-1) + 2^3(h-2) + \cdots + 2^{h}\times1 \newline
|
|
|
\end{aligned}
|
|
|
$$
|
|
|
|
|
|
**使用错位相减法**，令下式 $2 T(h)$ 减去上式 $T(h)$ ，可得
|
|
|
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|
$$
|
|
|
2T(h) - T(h) = T(h) = -2^0h + 2^1 + 2^2 + \cdots + 2^{h-1} + 2^h
|
|
|
$$
|
|
|
|
|
|
观察上式，$T(h)$ 是一个等比数列，可直接使用求和公式，得到时间复杂度为
|
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|
|
|
$$
|
|
|
\begin{aligned}
|
|
|
T(h) & = 2 \frac{1 - 2^h}{1 - 2} - h \newline
|
|
|
& = 2^{h+1} - h \newline
|
|
|
& = O(2^h)
|
|
|
\end{aligned}
|
|
|
$$
|
|
|
|
|
|
进一步地，高度为 $h$ 的完美二叉树的结点数量为 $n = 2^{h+1} - 1$ ，易得复杂度为 $O(2^h) = O(n)$。以上推算表明，**输入列表并建堆的时间复杂度为 $O(n)$ ，非常高效**。
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## 堆常见应用
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- **优先队列**。堆常作为实现优先队列的首选数据结构，入队和出队操作时间复杂度为 $O(\log n)$ ，建队操作为 $O(n)$ ，皆非常高效。
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- **堆排序**。给定一组数据，我们使用其建堆，并依次全部弹出，则可以得到有序的序列。当然，堆排序一般无需弹出元素，仅需每轮将堆顶元素交换至数组尾部并减小堆的长度即可。
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|
|
- **获取最大的 $k$ 个元素**。这既是一道经典算法题目，也是一种常见应用，例如选取热度前 10 的新闻作为微博热搜，选取前 10 销量的商品等。
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