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Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之最小堆和最大堆的原理及實(shí)現(xiàn)詳解

 更新時(shí)間:2022年09月05日 09:48:40   作者:小傅哥  
在計(jì)算機(jī)科學(xué)中,堆(heap)?的實(shí)現(xiàn)是一種基于樹的特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它可以在數(shù)組上構(gòu)建出樹的結(jié)構(gòu)體,并滿足堆的屬性。本文就來(lái)和大家詳細(xì)聊聊Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆,感興趣的可以了解一下

一、前言

堆的歷史

堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有很多種體現(xiàn)形式,包括;2-3堆、B堆、斐波那契堆,而在 Java API 中最常用的是用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)先隊(duì)列的二叉堆,它是由 JWJ Williams 在 1964 年引入的,作為堆排序算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。另外在 Dijkstra 算法等幾種高效的圖算法中,堆也是非常重要的。

二、堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中,堆(heap) 的實(shí)現(xiàn)是一種基于樹的特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它可以在數(shù)組上構(gòu)建出樹的結(jié)構(gòu)體,并滿足堆的屬性;

最小堆:如果P? 是C? 的一個(gè)父級(jí)節(jié)點(diǎn), 那么P? 的key(或value)應(yīng)小于或等于C 的對(duì)應(yīng)值。

最大堆:與最小堆的定義正好相反,最大堆(max heap) ,P? 的key(或value)大于C 的對(duì)應(yīng)值。

三、堆的代碼實(shí)現(xiàn)

1. 實(shí)現(xiàn)介紹

堆的實(shí)現(xiàn)在 Java API 中主要體現(xiàn)在延遲隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)二叉堆上,這里小傅哥單獨(dú)把這部分代碼拆分出來(lái),了解下關(guān)于小堆和大堆的實(shí)現(xiàn)。

從對(duì)堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)介紹上可以看到,小堆和大堆的唯一區(qū)別僅是對(duì)元素的排序方式不同。所以也就是說(shuō)在存放和獲取元素的時(shí)候?qū)υ氐奶畛浜驼龝r(shí),排序方式不同而已。

2. 入堆實(shí)現(xiàn)

堆的在存放元素時(shí),以遵循它的特點(diǎn),會(huì)在存放過程中,通過隊(duì)尾元素向上比對(duì)遷移。

private void siftUpComparable(int k, E x) {
    logger.info("【入隊(duì)】元素:{} 當(dāng)前隊(duì)列:{}", JSON.toJSONString(x), JSON.toJSONString(queue));
    while (k > 0) {
        // 獲取父節(jié)點(diǎn)Idx,相當(dāng)于除以2
        int parent = (k - 1) >>> 1;
        logger.info("【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:{} parent:{}", k, parent);
        Object e = queue[parent];
        // 如果當(dāng)前位置元素,大于父節(jié)點(diǎn)元素,則退出循環(huán)
        if (compareTo(x, (E) e) >= 0) {
            logger.info("【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):{} 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):{}", JSON.toJSONString(e), JSON.toJSONString(x));
            break;
        }
        // 相反父節(jié)點(diǎn)位置大于當(dāng)前位置元素,則進(jìn)行替換
        logger.info("【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:{} 存放到位置:{}", JSON.toJSONString(e), k);
        queue[k] = e;
        k = parent;
    }
    queue[k] = x;
    logger.info("【入隊(duì)】完成 Idx:{} Val:{} \r\n當(dāng)前隊(duì)列:{} \r\n", k, JSON.toJSONString(x), JSON.toJSONString(queue));
}

入堆的實(shí)現(xiàn) add 方法最終會(huì)調(diào)用到 siftUpComparable 方法,進(jìn)行排序的方式進(jìn)行處理。而這個(gè)排序 compareTo 方法是由具體的 MinHeap、MaxHeap 來(lái)做實(shí)現(xiàn)。

以入堆元素2舉例,如圖所示入堆過程。

首先將元素2掛到隊(duì)列尾部,之后通過 (k - 1) >>> 1 計(jì)算父節(jié)點(diǎn)位置,與對(duì)應(yīng)元素進(jìn)行比對(duì)和判斷交換。

交換過程包括 2->6、2->5,以此交換結(jié)束后元素保存完畢。

3. 出堆實(shí)現(xiàn)

元素的出堆其實(shí)很簡(jiǎn)單,只要把根元素直接刪除彈出即可。但剩余接下里的步驟才是復(fù)雜的,因?yàn)樾枰诟剡w移走后,尋找另外的最小元素遷移到對(duì)頭。這個(gè)過程與入堆正好相反,這是一個(gè)不斷向下遷移的過程。

private void siftDownComparable(int k, E x) {
    // 先找出中間件節(jié)點(diǎn)
    int half = size >>> 1;
    while (k < half) {
        // 找到左子節(jié)點(diǎn)和右子節(jié)點(diǎn),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較,找出最大的值
        int child = (k << 1) + 1;
        Object c = queue[child];
        int right = child + 1;
        // 左子節(jié)點(diǎn)與右子節(jié)點(diǎn)比較,取最小的節(jié)點(diǎn)
        if (right < size && compareTo((E) c, (E) queue[right]) > 0) {
            logger.info("【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:{} right:{}", JSON.toJSONString(c), JSON.toJSONString(queue[right]));
            c = queue[child = right];
        }
        // 目標(biāo)值與c比較,當(dāng)目標(biāo)值小于c值,退出循環(huán)。說(shuō)明此時(shí)目標(biāo)值所在位置適合,遷移完成。
        if (compareTo(x, (E) c) <= 0) {
            break;
        }
        // 目標(biāo)值小于c值,位置替換,繼續(xù)比較
        logger.info("【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):{} 下節(jié)點(diǎn):{} 位置替換", JSON.toJSONString(queue[k]), JSON.toJSONString(c));
        queue[k] = c;
        k = child;
    }
    // 把目標(biāo)值放到對(duì)應(yīng)位置
    logger.info("【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:{} Val:{}", k, JSON.toJSONString(x));
    queue[k] = x;
}

不斷地向下遷移元素。這個(gè)過程會(huì)比對(duì)左右子節(jié)點(diǎn)的值,找到最小的。所以整個(gè)過程會(huì)比入堆麻煩一些。

這里以彈出元素1舉例,之后將堆尾元素替換到相應(yīng)的位置。整個(gè)過程分為6張圖表述。

  • 圖1到圖2,找出根元素彈出。
  • 圖3到圖4,將根元素向下遷移,與子元素比對(duì),并替換位置。如果這個(gè)位置與8相比,小于8則繼續(xù)向下遷移。
  • 圖4到圖5,繼續(xù)遷移,在原節(jié)點(diǎn)4的位置對(duì)應(yīng)的兩個(gè)子元素,都比8大,這個(gè)時(shí)候就可以停下來(lái)了。
  • 圖5到圖6,更換元素位置,把隊(duì)尾的元素替換到對(duì)應(yīng)元素1向下遷移檢測(cè)的位置。

4. 小堆實(shí)現(xiàn)

小堆是一個(gè)正序比對(duì)

public class MinHeap extends Heap<Integer> {

    @Override
    public int compareTo(Integer firstElement, Integer secondElement) {
        return firstElement.compareTo(secondElement);
    }

}

測(cè)試

@Test
public void test_min_heap() {
    MinHeap heap = new MinHeap();
    // 存入元素
    heap.add(1);
    heap.add(3);
    heap.add(5);
    heap.add(11);
    heap.add(4);
    heap.add(6);
    heap.add(7);
    heap.add(12);
    heap.add(15);
    heap.add(10);
    heap.add(9);
    heap.add(8);
    // 彈出元素
    while (heap.peek() != null){
        logger.info("測(cè)試結(jié)果:{}", heap.poll());
    }
}

結(jié)果

17:21:30.053 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:3 當(dāng)前隊(duì)列:[1,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:21:30.055 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:1 parent:0
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):1 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):3
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:1 Val:3 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,null,null,null,null,null,null,null,null,null] 

17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:5 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,null,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:2 parent:0
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):1 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):5
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:2 Val:5 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,null,null,null,null,null,null,null,null] 

17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:11 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:3 parent:1
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):11
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:3 Val:11 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,null,null,null,null,null,null,null] 

17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:4 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,null,null,null,null,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:4 parent:1
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):3 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):4
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:4 Val:4 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,null,null,null,null,null,null] 

17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:6 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,null,null,null,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:5 parent:2
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):5 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):6
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:5 Val:6 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,null,null,null,null,null] 

17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:7 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,null,null,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:6 parent:2
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):5 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):7
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:6 Val:7 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,null,null,null,null] 17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:12 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,null,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:7 parent:3
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):11 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):12
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:7 Val:12 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,null,null,null] 

17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:15 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,null,null,null]
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:8 parent:3
17:21:30.056 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):11 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):15
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:8 Val:15 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,null,null] 

17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:10 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,null,null]
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:9 parent:4
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):4 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):10
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:9 Val:10 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,null] 

17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:9 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,null]
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:10 parent:4
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):4 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):9
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:10 Val:9 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,9] 

17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:8 當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,9,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:11 parent:5
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):6 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):8
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:11 Val:8 
當(dāng)前隊(duì)列:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,9,8,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null] 

17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):1 下節(jié)點(diǎn):3 位置替換
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:11 right:4
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):3 下節(jié)點(diǎn):4 位置替換
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:10 right:9
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:4 Val:8
17:21:30.057 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:1
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):3 下節(jié)點(diǎn):4 位置替換
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:11 right:8
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):4 下節(jié)點(diǎn):8 位置替換
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:4 Val:9
17:21:30.057 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:3
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:8 right:5
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):4 下節(jié)點(diǎn):5 位置替換
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):5 下節(jié)點(diǎn):6 位置替換
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:5 Val:10
17:21:30.057 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:4
17:21:30.057 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:8 right:6
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):5 下節(jié)點(diǎn):6 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:10 right:7
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):6 下節(jié)點(diǎn):7 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:6 Val:15
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:5
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:8 right:7
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):6 下節(jié)點(diǎn):7 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):7 下節(jié)點(diǎn):10 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:5 Val:12
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:6
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):7 下節(jié)點(diǎn):8 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:11 right:9
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):8 下節(jié)點(diǎn):9 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:4 Val:15
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:7
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):8 下節(jié)點(diǎn):9 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):9 下節(jié)點(diǎn):11 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:3 Val:12
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:8
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:11 right:10
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):9 下節(jié)點(diǎn):10 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:2 Val:15
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:9
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):10 下節(jié)點(diǎn):11 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:1 Val:12
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:10
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):11 下節(jié)點(diǎn):12 位置替換
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:1 Val:15
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:11
17:21:30.058 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:0 Val:15
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:12
17:21:30.058 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:15

Process finished with exit code 0
小堆就是一個(gè)正序的輸出結(jié)果,從小到大的排序和輸出。
小堆空間:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,9,8,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]

  • 小堆就是一個(gè)正序的輸出結(jié)果,從小到大的排序和輸出。
  • 小堆空間:[1,3,5,11,4,6,7,12,15,10,9,8,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]

5. 大堆實(shí)現(xiàn)

小堆是一個(gè)反序比對(duì)

public class MaxHeap extends Heap<Integer> {

    @Override
    public int compareTo(Integer firstElement, Integer secondElement) {
        return secondElement.compareTo(firstElement);
    }

}

測(cè)試

@Test
public void test_max_heap() {
    MaxHeap heap = new MaxHeap();
    // 存入元素
    heap.add(1);
    heap.add(3);
    heap.add(5);
    heap.add(11);
    heap.add(4);
    heap.add(6);
    heap.add(7);
    heap.add(12);
    heap.add(15);
    heap.add(10);
    heap.add(9);
    heap.add(8);
    // 彈出元素
    while (heap.peek() != null){
        logger.info("測(cè)試結(jié)果:{}", heap.poll());
    }
}

結(jié)果

17:23:45.079 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:3 當(dāng)前隊(duì)列:[1,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:1 parent:0
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:1 存放到位置:1
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:0 Val:3 
當(dāng)前隊(duì)列:[3,1,null,null,null,null,null,null,null,null,null] 

17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:5 當(dāng)前隊(duì)列:[3,1,null,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:2 parent:0
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:3 存放到位置:2
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:0 Val:5 
當(dāng)前隊(duì)列:[5,1,3,null,null,null,null,null,null,null,null] 

17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:11 當(dāng)前隊(duì)列:[5,1,3,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:3 parent:1
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:1 存放到位置:3
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:1 parent:0
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:5 存放到位置:1
17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:0 Val:11 
當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,3,1,null,null,null,null,null,null,null] 

17:23:45.081 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:4 當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,3,1,null,null,null,null,null,null,null]
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:4 parent:1
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):5 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):4
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:4 Val:4 
當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,3,1,4,null,null,null,null,null,null] 

17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:6 當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,3,1,4,null,null,null,null,null,null]
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:5 parent:2
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:3 存放到位置:5
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:2 parent:0
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):11 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):6
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:2 Val:6 
當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,6,1,4,3,null,null,null,null,null] 

17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:7 當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,6,1,4,3,null,null,null,null,null]
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:6 parent:2
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:6 存放到位置:6
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:2 parent:0
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):11 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):7
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:2 Val:7 
當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,7,1,4,3,6,null,null,null,null] 

17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:12 當(dāng)前隊(duì)列:[11,5,7,1,4,3,6,null,null,null,null]
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:7 parent:3
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:1 存放到位置:7
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:3 parent:1
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:5 存放到位置:3
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:1 parent:0
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:11 存放到位置:1
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:0 Val:12 
當(dāng)前隊(duì)列:[12,11,7,5,4,3,6,1,null,null,null] 

17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:15 當(dāng)前隊(duì)列:[12,11,7,5,4,3,6,1,null,null,null]
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:8 parent:3
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:5 存放到位置:8
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:3 parent:1
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:11 存放到位置:3
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:1 parent:0
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:12 存放到位置:1
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:0 Val:15 
當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,7,11,4,3,6,1,5,null,null] 

17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:10 當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,7,11,4,3,6,1,5,null,null]
17:23:45.082 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:9 parent:4
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:4 存放到位置:9
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:4 parent:1
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):12 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):10
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:4 Val:10 
當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,7,11,10,3,6,1,5,4,null] 

17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:9 當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,7,11,10,3,6,1,5,4,null]
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:10 parent:4
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):10 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):9
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:10 Val:9 
當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,7,11,10,3,6,1,5,4,9] 

17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】元素:8 當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,7,11,10,3,6,1,5,4,9,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:11 parent:5
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:3 存放到位置:11
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:5 parent:2
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】替換過程,父子節(jié)點(diǎn)位置替換,繼續(xù)循環(huán)。父節(jié)點(diǎn)值:7 存放到位置:5
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】尋找當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)位置。k:2 parent:0
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】值比對(duì),父節(jié)點(diǎn):15 目標(biāo)節(jié)點(diǎn):8
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【入隊(duì)】完成 Idx:2 Val:8 
當(dāng)前隊(duì)列:[15,12,8,11,10,7,6,1,5,4,9,3,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null] 

17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):15 下節(jié)點(diǎn):12 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):12 下節(jié)點(diǎn):11 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:1 right:5
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):11 下節(jié)點(diǎn):5 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:8 Val:3
17:23:45.083 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:15
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):12 下節(jié)點(diǎn):11 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:5 right:10
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):11 下節(jié)點(diǎn):10 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:4 Val:9
17:23:45.083 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:12
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):11 下節(jié)點(diǎn):10 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:5 right:9
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):10 下節(jié)點(diǎn):9 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:4 Val:4
17:23:45.083 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:11
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):10 下節(jié)點(diǎn):9 位置替換
17:23:45.083 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):9 下節(jié)點(diǎn):5 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:3 Val:3
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:10
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:5 right:8
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):9 下節(jié)點(diǎn):8 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):8 下節(jié)點(diǎn):7 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:5 Val:1
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:9
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:5 right:7
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):8 下節(jié)點(diǎn):7 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:2 Val:6
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:8
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】左右子節(jié)點(diǎn)比對(duì),獲取最小值。left:5 right:6
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):7 下節(jié)點(diǎn):6 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:2 Val:1
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:7
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):6 下節(jié)點(diǎn):5 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:1 Val:4
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:6
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):5 下節(jié)點(diǎn):4 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:1 Val:3
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:5
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換過程,節(jié)點(diǎn)的值比對(duì)。上節(jié)點(diǎn):4 下節(jié)點(diǎn):3 位置替換
17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:1 Val:1
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17:23:45.084 [main] INFO queue.PriorityQueue - 【出隊(duì)】替換結(jié)果,最終更換位置。Idx:0 Val:1
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:3
17:23:45.084 [main] INFO heap.__test__.HeapTest - 測(cè)試結(jié)果:1

Process finished with exit code 0

大堆就是一個(gè)反序的輸出結(jié)果,從大到小的排序和輸出。

大堆空間:[15,12,8,11,10,7,6,1,5,4,9,3,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null,null]

以上就是Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之最小堆和最大堆的原理及實(shí)現(xiàn)詳解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Java數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 堆的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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