堆排序的应用
程序员文章站
2022-07-12 09:56:25
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昨天总结了一下几种常用的排序算法,而且,在比较排序算法的结尾有一个小tips:堆排序和归并排序都是渐进最有的比较排序算法。今天在回顾算法导论的过程中发现,堆排序,快排,归并排序的应用很广泛,重要的不是这种排序的方式,而是这种排序的思想值得我们学习。
比如堆排序常用于中位数的查找,以及找出给定数组中最大(小)的k个数。
首先我们先来思考一下这个数组中最小的k个数。一般比较暴力的思想就是使用快排,然后找出前k个数输出即可。这样的时间复杂度是O(nlog_n).这样很容易理解。这里采用堆排序的方法,既然是堆排序,我们就要考虑是大顶堆还是小顶堆呢?当然,我们想要的结果的大小是k,所以堆的大小选择为k。构造小顶堆的话,堆顶元素一直是最小的。我们无法确定第k小的数是多少,所以是行不通的。这里可以使用大顶堆,大小为k,堆顶元素是k个元素中最大的,我们依次对数组元素进行遍历。不断地与堆顶元素进行比较,一旦该值小于堆顶元素,则弹出堆顶元素,并将该值加入堆中,堆排序一次。持续此方法,直到数组末尾。
代码如下:
import java.util.ArrayList;
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.Comparator;
public class Solution {
public ArrayList<Integer> GetLeastNumbers_Solution(int[] input, int k) {
ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
int length = input.length;
if(k > length || k == 0){
return result;
}
PriorityQueue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<Integer>(k, new Comparator<Integer>() {
@Override
public int compare(Integer o1, Integer o2) {
return o2.compareTo(o1);
}
});
for (int i = 0; i < length; i++) {
if (maxHeap.size() != k) {
maxHeap.offer(input[i]);
} else if (maxHeap.peek() > input[i]) {
Integer temp = maxHeap.poll();
temp = null;
maxHeap.offer(input[i]);
}
}
for (Integer integer : maxHeap) {
result.add(integer);
}
return result;
}
}
对于中位数,很相似。只不过是输出元素个数问题。这里要用到两个堆。为啥要用两个堆呢?难道一个不行吗?这个疑问挺好,其实是因为数组长度为奇数或者偶数的处理方式不一样吧。所以我们要用两个堆,一个大顶堆,一个小顶堆。大顶堆用来存比较小的数,小顶堆用来存比较大的数,这样到最后,我们可以将两个堆顶元素相加然后得出结果。附代码:
import java.util.Arrays;
import java.util.Comparator;
import java.util.PriorityQueue;
public class MadianQuick {
public static class MedianHolder {
private PriorityQueue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<Integer>(new MaxHeapComparator());
private PriorityQueue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<Integer>(new MinHeapComparator());
private void modifyTwoHeapsSize() {
if (this.maxHeap.size() == this.minHeap.size() + 2) {
this.minHeap.add(this.maxHeap.poll());
}
if (this.minHeap.size() == this.maxHeap.size() + 2) {
this.maxHeap.add(this.minHeap.poll());
}
}
public void addNumber(int num) {
if (this.maxHeap.isEmpty()) {
this.maxHeap.add(num);
return;
}
if (this.maxHeap.peek() >= num) {
this.maxHeap.add(num);
} else {
if (this.minHeap.isEmpty()) {
this.minHeap.add(num);
return;
}
if (this.minHeap.peek() > num) {
this.maxHeap.add(num);
} else {
this.minHeap.add(num);
}
}
modifyTwoHeapsSize();
}
public Integer getMedian() {
int maxHeapSize = this.maxHeap.size();
int minHeapSize = this.minHeap.size();
if (maxHeapSize + minHeapSize == 0) {
return null;
}
Integer maxHeapHead = this.maxHeap.peek();
Integer minHeapHead = this.minHeap.peek();
if (((maxHeapSize + minHeapSize) & 1) == 0) {
return (maxHeapHead + minHeapHead) / 2;
}
return maxHeapSize > minHeapSize ? maxHeapHead : minHeapHead;
}
}
public static class MaxHeapComparator implements Comparator<Integer> {
@Override
public int compare(Integer o1, Integer o2) {
if (o2 > o1) {
return 1;
} else {
return -1;
}
}
}
public static class MinHeapComparator implements Comparator<Integer> {
@Override
public int compare(Integer o1, Integer o2) {
if (o2 < o1) {
return 1;
} else {
return -1;
}
}
}
// for test
public static int[] getRandomArray(int maxLen, int maxValue) {
int[] res = new int[(int) (Math.random() * maxLen) + 1];
for (int i = 0; i != res.length; i++) {
res[i] = (int) (Math.random() * maxValue);
}
return res;
}
// for test, this method is ineffective but absolutely right
public static int getMedianOfArray(int[] arr) {
int[] newArr = Arrays.copyOf(arr, arr.length);
Arrays.sort(newArr);
int mid = (newArr.length - 1) / 2;
if ((newArr.length & 1) == 0) {
return (newArr[mid] + newArr[mid + 1]) / 2;
} else {
return newArr[mid];
}
}
public static void printArray(int[] arr) {
for (int i = 0; i != arr.length; i++) {
System.out.print(arr[i] + " ");
}
System.out.println();
}
public static void main(String[] args) {
boolean err = false;
int testTimes = 200000;
for (int i = 0; i != testTimes; i++) {
int len = 30;
int maxValue = 1000;
int[] arr = getRandomArray(len, maxValue);
MedianHolder medianHold = new MedianHolder();
for (int j = 0; j != arr.length; j++) {
medianHold.addNumber(arr[j]);
}
if (medianHold.getMedian() != getMedianOfArray(arr)) {
err = true;
printArray(arr);
break;
}
}
System.out.println(err ? "oh No" : "beautiful");
}
}