使用 C 语言实现数据结构 - 堆

概述

堆表示一种特殊的基于树的数据结构，用于表示优先队列或用于堆排序。我们将具体讨论二叉堆树。

二叉堆树可以归类为具有两个约束条件的二叉树：

• 完整性 - 二叉堆树是一个完整的二叉树，除了最后一层可能没有所有元素，但元素应从左到右填充。

• 堆特性 - 所有父节点都应大于或小于其子节点。如果父节点大于其子节点，则称为最大堆，否则称为最小堆。最大堆用于堆排序，最小堆用于优先队列。我们正在考虑最小堆，并将使用数组来实现它。

基本操作

以下是最小堆的基本主要操作：

• 插入 - 将元素插入堆中。

• 获取最小值 - 从堆中获取最小元素。

• 删除最小值 - 从堆中删除最小元素

插入操作

• 每当要插入元素时。将元素插入数组的末尾。将堆的大小增加 1。

• 当堆属性被破坏时，向上调整元素。将元素与其父节点的值进行比较，如果需要则交换它们。

void insert(int value) {            
   size++;
   intArray[size - 1] = value;
   heapUp(size - 1);
}
void heapUp(int nodeIndex){
   int parentIndex, tmp;
   if (nodeIndex != 0) {
      parentIndex = getParentIndex(nodeIndex);
      if (intArray[parentIndex] > intArray[nodeIndex]) {
         tmp = intArray[parentIndex];
         intArray[parentIndex] = intArray[nodeIndex];
         intArray[nodeIndex] = tmp;
         heapUp(parentIndex);
      }
   }
}

获取最小值

获取实现堆的数组的第一个元素，即根节点。

int getMinimum(){
   return intArray[0];
}

删除最小值

• 每当要删除元素时。获取数组的最后一个元素并将堆的大小减少 1。

• 当堆属性被破坏时，向下调整元素。将元素与其子节点的值进行比较，如果需要则交换它们。

void removeMin() {
   intArray[0] = intArray[size - 1];
   size--;
   if (size > 0)
      heapDown(0);
}
void heapDown(int nodeIndex){
   int leftChildIndex, rightChildIndex, minIndex, tmp;
   leftChildIndex = getLeftChildIndex(nodeIndex);
   rightChildIndex = getRightChildIndex(nodeIndex);
   if (rightChildIndex >= size) {
      if (leftChildIndex >= size)
         return;
      else
         minIndex = leftChildIndex;
   } else {
      if (intArray[leftChildIndex] <= intArray[rightChildIndex])
         minIndex = leftChildIndex;
      else
         minIndex = rightChildIndex;
   }
   if (intArray[nodeIndex] > intArray[minIndex]) {
      tmp = intArray[minIndex];
      intArray[minIndex] = intArray[nodeIndex];
      intArray[nodeIndex] = tmp;
      heapDown(minIndex);
   }
}

示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

int intArray[10];
int size;

bool isEmpty(){
   return size == 0;
}
int getMinimum(){
   return intArray[0];
}
int getLeftChildIndex(int nodeIndex){
   return 2*nodeIndex +1;
}
int getRightChildIndex(int nodeIndex){
   return 2*nodeIndex +2;
}
int getParentIndex(int nodeIndex){
   return (nodeIndex -1)/2;
}
bool isFull(){
   return size == 10;
}
/**
* Heap up the new element,until heap property is broken. 
* Steps:
* 1. Compare node's value with parent's value. 
* 2. Swap them, If they are in wrong order.
* */
void heapUp(int nodeIndex){
   int parentIndex, tmp;
   if (nodeIndex != 0) {
      parentIndex = getParentIndex(nodeIndex);
      if (intArray[parentIndex] > intArray[nodeIndex]) {
         tmp = intArray[parentIndex];
         intArray[parentIndex] = intArray[nodeIndex];
         intArray[nodeIndex] = tmp;
         heapUp(parentIndex);
      }
   }
}
/**
* Heap down the root element being least in value,until heap property is broken. 
* Steps:
* 1.If current node has no children, done.  
* 2.If current node has one children and heap property is broken, 
* 3.Swap the current node and child node and heap down.
* 4.If current node has one children and heap property is broken, find smaller one
* 5.Swap the current node and child node and heap down.
* */
void heapDown(int nodeIndex){
   int leftChildIndex, rightChildIndex, minIndex, tmp;
   leftChildIndex = getLeftChildIndex(nodeIndex);
   rightChildIndex = getRightChildIndex(nodeIndex);
   if (rightChildIndex >= size) {
      if (leftChildIndex >= size)
         return;
      else
         minIndex = leftChildIndex;
   } else {
      if (intArray[leftChildIndex] <= intArray[rightChildIndex])
         minIndex = leftChildIndex;
      else
         minIndex = rightChildIndex;
   }
   if (intArray[nodeIndex] > intArray[minIndex]) {
      tmp = intArray[minIndex];
      intArray[minIndex] = intArray[nodeIndex];
      intArray[nodeIndex] = tmp;
      heapDown(minIndex);
   }
}
void insert(int value) {            
   size++;
   intArray[size - 1] = value;
   heapUp(size - 1);
}
void removeMin() {
   intArray[0] = intArray[size - 1];
   size--;
   if (size > 0)
      heapDown(0);
}
main() {
   /*                     5                //Level 0
   * 
   */
   insert(5);
   /*                     1                //Level 0
   *                     |
   *                 5---|                 //Level 1
   */   
   insert(1);
   /*                     1                //Level 0
   *                     |
   *                 5---|---3             //Level 1
   */
   insert(3);
   /*                     1                //Level 0
   *                     |
   *                 5---|---3             //Level 1
   *                 |
   *              8--|                     //Level 2
   */
   insert(8);
   /*                     1                //Level 0
   *                     |
   *                 5---|---3             //Level 1
   *                 |
   *              8--|--9                  //Level 2
   */
   insert(9);
   /*                     1                 //Level 0
   *                     |
   *                 5---|---3              //Level 1
   *                 |       |
   *              8--|--9 6--|              //Level 2
   */
   insert(6);
   /*                     1                 //Level 0
   *                     |
   *                 5---|---2              //Level 1
   *                 |       | 
   *              8--|--9 6--|--3           //Level 2
   */
   insert(2);

   printf("%d", getMinimum());

   removeMin();
   /*                     2                 //Level 0
   *                     |
   *                 5---|---3              //Level 1
   *                 |       |
   *              8--|--9 6--|              //Level 2
   */
   printf("\n%d", getMinimum());   
}

如果我们编译并运行上述程序，它将产生以下结果：

1
2