【二叉树的顺序结构及实现二-堆】

2024-01-03 10:53:34

一、Heap.h

#pragma once
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>

// 堆结构体
typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;
	int size;
	int capacity;
}HP;

//向上调整算法
void AdjustUp(int* a, int child);

//向下调整算法
void AdjustDown(int* a, int n, int parent);

//交换函数
void Swap(HPDataType* px, HPDataType* py);

// 堆的初始化
void HeapInit(HP* hp);

// 堆的销毁
void HeapDestroy(HP* hp);

// 堆的插入
void HeapPush(HP* hp, HPDataType x);

// 堆的删除
void HeapPop(HP* hp);

//取堆顶的数据
HPDataType HeapTop(HP* hp);

//堆的打印
void HeapPrint(HP* hp);

// 堆的判空
bool HeapEmpty(HP* hp);

// 堆的数据个数
int HeapSize(HP* hp);

二、Heap.c

#include "Heap.h"

void Swap(HPDataType* px, HPDataType* py)
{
	HPDataType tmp = *px;
	*px = *py;
	*py = tmp;
}

void HeapInit(HP* hp)
{
	assert(hp);
	hp->a = NULL;
	hp->size = hp->capacity = 0;
}

void HeapDestroy(HP* hp)
{
	assert(hp);
	free(hp->a);
	hp->capacity = hp->size = 0;
}

void AdjustUp(int* a, int child)
{
	assert(a);

	int parent = (child - 1) / 2;
	//while (parent >= 0)
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);

			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void HeapPrint(HP* hp)
{
	for (int i = 0; i < hp->size; ++i)
	{
		printf("%d ", hp->a[i]);
	}
	printf("\n");
}

void HeapPush(HP* hp, HPDataType x)
{
	assert(hp);
	if (hp->size == hp->capacity)
	{
		size_t newCapacity = hp->capacity == 0 ? 4 : hp->capacity * 2;
		HPDataType* tmp = realloc(hp->a, sizeof(HPDataType) * newCapacity);
		if (tmp == NULL)
		{
			printf("realloc fail\n");
			exit(-1);
		}

		hp->a = tmp;
		hp->capacity = newCapacity;
	}

	hp->a[hp->size] = x;
	hp->size++;


	AdjustUp(hp->a, hp->size - 1);
}

bool HeapEmpty(HP* hp)
{
	assert(hp);

	return hp->size == 0;
}

int HeapSize(HP* hp)
{
	assert(hp);

	return hp->size;
}

HPDataType HeapTop(HP* hp)
{
	assert(hp);
	assert(!HeapEmpty(hp));

	return hp->a[0];
}

void AdjustDown(int* a, int n, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;
	while (child < n)
	{
		// 选出左右孩子中小的那一个
		if (child + 1 < n && a[child + 1] < a[child])
		{
			++child;
		}

		// 如果小的孩子小于父亲,则交换,并继续向下调整
		if (a[child] < a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

// 删除堆顶的数据
void HeapPop(HP* hp)
{
	assert(hp);
	assert(!HeapEmpty(hp));

	Swap(&hp->a[0], &hp->a[hp->size - 1]);
	hp->size--;

	AdjustDown(hp->a, hp->size, 0);
}

三、Test.c

#include "Heap.h"

// 在N个数找出最大的前K个  or  在N个数找出最小的前K个
void PrintTopK(int* a, int n, int k)
{
	HP hp;
	HeapInit(&hp);
	// 创建一个K个数的小堆
	for (int i = 0; i < k; ++i)
	{
		HeapPush(&hp, a[i]);
	}

	// 剩下的N-K个数跟堆顶的数据比较,比他大,就替换他进堆
	for (int i = k; i < n; ++i)
	{
		if (a[i] > HeapTop(&hp))
		{
			HeapPop(&hp);
			HeapPush(&hp, a[i]);
			//hp.a[0] = a[i];
			//AdjustDown(hp.a, hp.size, 0);
		}
	}

	HeapPrint(&hp);

	HeapDestroy(&hp);
}

void TestTopk()
{
	int n = 1000000;
	int* a = (int*)malloc(sizeof(int) * n);
	srand(time(0));
	for (size_t i = 0; i < n; ++i)
	{
		a[i] = rand() % 1000000;
	}
	// 再去设置10个比100w大的数
	a[5] = 1000000 + 1;
	a[1231] = 1000000 + 2;
	a[5355] = 1000000 + 3;
	a[51] = 1000000 + 4;
	a[15] = 1000000 + 5;
	a[2335] = 1000000 + 6;
	a[9999] = 1000000 + 7;
	a[76] = 1000000 + 8;
	a[423] = 1000000 + 9;
	a[3144] = 1000000 + 10;
	PrintTopK(a, n, 10);
}

void TestHeap()
{
	int a[] = { 49,25,34,18,37,19,65,15,27,28 };
	HP hp;
	HeapInit(&hp);
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
	{
		HeapPush(&hp, a[i]);
	}
	HeapPrint(&hp);

	HeapPop(&hp);
	HeapPrint(&hp);

	HeapPop(&hp);
	HeapPrint(&hp);

	HeapPop(&hp);
	HeapPrint(&hp);

	HeapPop(&hp);
	HeapPrint(&hp);

	HeapDestroy(&hp);
}

int main()
{
	printf("TestTopk():\n");
	TestTopk();
	printf("TestHeap():\n");
	TestHeap();
	return 0;
}
 //升序  空间复杂度是O(N) 
void HeapSort1(int* a, int n)
{
	HP hp;
	HeapInit(&hp);
	// 建议一个N个小堆
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		HeapPush(&hp, a[i]);
	}

	// Pop N 次
	for (int i = 0; i < n; ++i)
	{
		a[i] = HeapTop(&hp);
		HeapPop(&hp);
	}

	HeapDestroy(&hp);
}
int main()
{
	int a[] = { 70, 56, 30, 25, 15, 10, 75, 33, 50, 69 };
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
	printf("\n");

	HeapSort1(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
	printf("\n");

	return 0;
}

void HeapSort2(int* a, int n)
{
	 //把a构建成小堆
	 //方法1:
	//O(N*logN)
	/*for (int i = 1; i < n; ++i)
	{
	AdjustUp(a, i);
	}*/

	 //方法2:
	 //O(N)
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; --i)
	{
		AdjustDown(a, n, i);
	}

	 //依次选数,调堆
	 //O(N*logN)
	for (int end = n - 1; end > 0; --end)
	{
		Swap(&a[end], &a[0]);

		 //再调堆,选出次小的数
		AdjustDown(a, end, 0);
	}
}

int main()
{
	int a[] = { 70, 56, 30, 25, 15, 10, 75, 33, 50, 69 };
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
	printf("\n");

	HeapSort2(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); ++i)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
	printf("\n");

	return 0;
}

四、运行结果

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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小常识:10亿个整数,大概占用4G内存空间 1G = 1024MB=1024*1024KB=1024*1024*1024Byte=10亿字节


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