二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇

作者 : admin 本文共6983个字,预计阅读时间需要18分钟 发布时间: 2024-06-16 共1人阅读

每周一篇小博客,你我都没小烦恼;这次来讲讲数据结构中的重点内容,二叉树的堆

此次总共分为三篇,上中下;分别讲的是堆、链式结构二叉树、经典例题的讲解;接下就是树的概念和堆

二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图

目录

1.树概念及结构

1.2树形结构之间不可以相交

2.树的的相关概念

3.二叉树概念及结构

3.1概念

3.2特殊二叉树

4.二叉树的存储结构

4.1数组存储的方式

顺序结构

5. 二叉树的顺序结构及实现

5.1堆的实现   在下面堆排序更详细的解释

5.2Push

1.向上调整算法

5.3Pop

1.向下调整算法

5.4判空,堆顶元素,有效个数

5.5堆的高度为什么是logN

6.堆排序

6.1向上调整建堆

向上调整建堆复杂度

6.2向下调整建堆

6.2.1代码排序逻辑

6.2.2向下调整建堆复杂度

7.TopK问题

7.1方法1

7.2方法2

总结


1.树概念及结构

  1. 树是一种非线性的数据结构,由根和节点组成;为什么是树?因为看起来像一颗倒挂过来的树
  2. 根节点没有前置节点
  3. 可以发现 走到 j的时候,问题就被 大事化小 ,小事化了;也就是大家常说的分治;分治就是分而治之
  4. 而分治呢? 又可以说是 分治 == 递归,可以画上等号他们两有着紧密的关联

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1.2树形结构之间不可以相交

  1. 通过A 分为了三个子树 B C D ,子树之间不可以相交;如果相交了,那么就不是树了
  2. 子树相交就是 了,图是另外一个数据结构;本篇文章重点还是

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树的表示,这里用左孩子右兄弟;这里解释一下大概的思路做下了解即可

  1. 第一个父节点指向第一个孩子节点,不管有多少个孩子,child始终都指向左边开始的第一个孩子
  2.  孩子节点指向兄弟节点

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2.树的的相关概念

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红色部分是最重要的概念

  1. 节点的度:一个节点含有的子树的个数称为该节点的度(画红圈的部分)
  2. 叶节点或终端节点:度为0的节点称为叶节点;也是图中的J F K L H I 都是的
  3. 非终端节点或分支节点:度不为0的节点; 列如B G D这是都是分支节点;那么一个树就由叶节点 + 分支节点
  4. 双亲节点或父节点:若一个节点含有子节点,则这个节点称为其子节点的父节点;
    1. 意思就是B的父亲是A,那么A就是父节点
    2. 而且比如 C,C是G的父亲,但是C也是A的孩子,就是和家庭关系一样;像不像人到中年上有老下有小
  5. 孩子节点或子节点:一个节点含有的子树的根节点称为该节点的子节点;
    1. A有三个孩子分别是:B、C、D
  6. 兄弟节点:具有相同父节点的节点互称为兄弟节点; 如上图
    1. 二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(5)
    2. G H就不能是兄弟节点了,不是共同的父亲;只能说是有共同的爷爷
  7. 树的度:一棵树中,最大的节点的度称为树的度;
    1. 就是刚刚的第一个概念,主要看哪个节点的度多,谁多谁就是这颗树最大节点的度;上面的图最大的度就是3
  8. 节点的层次:从根开始定义起,根为第1层,根的子节点为第2层,以此类推;
    1. 二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(6)
  9. 树的高度或深度:树中节点的最大层次;如上图:树的高度为4
    1. 那么根节点可以不可以用0表示?就像和数组一样,最后的高度就是3,当然也是可以的,假如说是按照数组的下标一样从0开始的
    2. 那么数组为啥不从 1 开始?,其实有原因的 举个例子
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  10. 堂兄弟节点:双亲在同一层的节点互为堂兄弟;
    1. 就是刚刚所说的H 和 l,他两是堂兄弟
  11. 节点的祖先:从根到该节点所经分支上的所有节点;A是所有节点的祖先;当然这个祖先要是直系亲属才行
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  12. 子孙:以某节点为根的子树中 任一节点都称为该节点的子孙
    1. A的子孙是下面的所有,而B的子孙是E F J;

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  13. 森林:由m(m>0)棵互不相交的树的集合称为森林;有很多很多数组成的森林 后面有个叫并查集的也是多个树

3.二叉树概念及结构

3.1概念

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  1. 从图中可以看出二叉树由一个根节点和左孩子、右孩子组成;最多节点不能大于2;
  2. 二叉树的组成方式,由下面五种方式组成
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3.2特殊二叉树

  1. 满二叉树:它可以存储的数据有很多;假设 满二叉树是20层那么可存储的数据量是2^20 约等于 100w;2^30 约等于 10亿
  2. 完全二叉树: 完全二叉树是效率很高的数据结构;有个条件前面h – 1层都是满的;并且最后一层不满从左到右连续存储的

下面这种就不是完全二叉树了,

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4.二叉树的存储结构

4.1数组存储的方式

顺序结构
  1. 第一种满二叉树

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  2. 第二种完全二叉树;满二叉树可以是完全二叉树,但是完全二叉树不一定是满二叉树二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(16)
  3. 第三种非完全二叉树
    1. 那么非完全而二叉树可不可以存储呢?可以,但是会造成很多的空间浪费
    2. 假如你让D存到3的位置,E存到4的位置;那么E查找父节点的时候就会找到B(带入公式);但是E的父节点是C啊;这不就找错爹了(doge)肯定不行啊

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5. 二叉树的顺序结构及实现

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  1. 小堆;那么是不是降序呢?不是的;同一层之间没有大小比较,所以不能确定大小关系
    1. 特点:根节点始终都是最小的

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  1. 大堆; 特点:根节点始终都是最大的

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  1. topK问题,就是在10w数据中查找最大前10个

5.1堆的实现   在下面堆排序更详细的解释

  1. 基本结构,底层基于数组存储
typedef int HPDataType;

typedef struct heap
{
	HPDataType* a;
	int size;//数据个数
	int capacity;//有效空间
}HP;
  1. 堆的初始化和销毁,根据物理结构我们用数组来存储
  2. 初始化:两种方式 这里我使用第一种
    1. 接收一个结构体指针,对结构体申请空间,无返回值 Init
    2. 直接创建一块空间,通过返回空间,那边去接收,有返回值 create
//初始化
void HPInit(HP* php)//穿过来一个结构体
{
	assert(php);
	php->a = NULL;
	php->size = php->capacity = 0;
}
//销毁
void HPDestroy(HP* php)
{
	assert(php);
	//assert(php->a);//可以不加因为freeNULL,也不会有事
	free(php->a);
	php->a = NULL;
	php->size = php->capacity = 0;
}

这个的初始化和销毁很简单,这里就不说,重点讲一下Push和Pop

5.2Push

  1. 插入一个数据时,要一直和祖先比较,这个是小堆,假如插入的数一直比父节点小,那么要和父节点交换位置
  2. 最好的情况是刚好比父节点大;就不用交换break退出;
  3. 二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(21)

  4. 最坏的情况要当所以父节点的爸 (根节点);这里讲的是AdjustUP核心交换逻辑
  5. 二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(22)

  6. 代码逻辑: 更详细的
    1.孩子节点(child),就是数组的最后的位置;父节点(parent)就可以通过(child-1)/2 ;找到孩子
    2.if判断如果孩子节点位置的数据比父节点小,那么就交换
    3.循环条件,使得child不能出堆顶
  7. 这里不要拿父节点当结束循环的条件;
    1. 二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(23)

  8. 孩子节点和父节点交换成功后,让孩子节点到父节点去;然后通过孩子节点计算父节点
  9. 如果要创建大堆,改变if 大于或者小于号;

1.向上调整算法

  1. 注意:此个算法,在堆排序中有对应的动图
  2. 像空间申请那部分的代码,如果学习顺序表或者栈都应该会了,如果还不会可以去看看之前顺序表那篇博客 -> 快速跳转顺序表详细版
  3. 那么对应的复杂度是logN,每调整一个数,最坏要调整高度次
//交换数据
void Swap(HPDataType* x, HPDataType* y)
{
	HPDataType tmp = *x;
	*x = *y;
	*y = tmp;
}
//向上调整
void AdjustUP(HPDataType* a,int child)
{
	//通过孩子找父亲
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)//小于等于0,已经到根节点
	{
		if (a[child] size == php->capacity)
	{
		int new = php->capacity == 0 ? 4 : php->capacity * 2;
		HPDataType* tmp = (HPDataType*)realloc(php->a,sizeof(HPDataType) * new);//这里需要realloc来动态开辟,假如a为NULL则是malloc的功能
		if (tmp == NULL)
		{
			perror("HPPush()::malloc()");
			return;
		}
		php->a = tmp;
		php->capacity = new;
	}
	//使用空间
	php->a[php->size] = x;
	php->size++;

	//先把数据插入到数组再变成堆
	AdjustUP(php->a,php->size - 1);//传递孩子的位置
}

5.3Pop

Pop的要求是,让我们删除堆顶的元素,而不是数组末尾的;

  1. Pop分为三步 建议:代码,画图,文字结合查看
    1. 先找到最后一个叶节点与堆顶元素交换
    2. 然后删除最后一个叶节点,
    3. 利用向下调整算法调整堆顶元素位置,让该位置的值到对应位置
  2. 调整到对应位置就需要用到一个向下调整的算法 通过父亲找孩子
  3. 这里是小堆,首先可以利用假设法,计算左孩子(这里的左孩子是用数组存储的位置在1),假设左孩子(child)更小;
    1. if判断,如果假设失败则child++,那就是第二个了

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  1. if (child < size – 1 && a[child + 1] < a[child])//右孩子更小,child要小于size 不然会越界;
  2. 这个是小堆,child位置的数据小于parent,意味着大的数往下放交换;
  3. 向下调整的过程中;看图,让之前的child位置成为新的parent,那么再次计算child,循环比较
  4. 那么结束条件是什么? 这就需要考虑边界值了;可以看看size的边界在哪里,就可以设计出while循环了;后面堆排序和这个紧密相关

1.向下调整算法

  1. 向下调整的复杂度也是需要调整高度次的,复杂度就是logN
    //向下调整
    void AdjustDown(HPDataType* a, int size, int parent)
    {
    	int child = parent * 2 + 1;//计算出孩子位置,假设是左孩子
    	//假设法
    	while(child = size 说明没有孩子了
    	{
    		if (child < size - 1 && a[child + 1] < a[child])//右孩子更小,child要小于size 不然会越界
    		{
    			child++;
    		}	
    		if (a[child] size > 0);//删除数据要注意不能删到负数,而且数组的空间是一次性开辟的
    	Swap(&php->a[0], &php->a[php->size - 1]);
    	php->size--;
    	//向下调整
    	AdjustDown(php->a, php->size, 0);//传过去的是根的位置,让根位置数据调整
    }

    5.4判空,堆顶元素,有效个数

//判空
bool HPEmpty(HP* php)
{
	assert(php);
	return php->size == 0;
}
//取堆顶元素
HPDataType HPTop(HP* php)
{
	assert(php);
	assert(php->size > 0);//数组是用size,而链表每次销毁数据要看还有没有这块空间
	return php->a[0];
}
//有效个数
int HPSize(HP* php)
{
	assert(php);
	return php->size;
}

5.5堆的高度为什么是logN

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6.堆排序

按照思维惯性,可能大部分人会认为升序建小堆,降序建大堆;但是不是的

  1. 升序建大堆
  2. 降序建小堆;为什么呢?假如是降序建大堆 那么刚好数据在堆顶可以直接拿到,但是呢 看图例

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所以降序建小堆才是对的,再来看看过程

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6.1向上调整建堆

  1. 可以观察到,最后结果和调试图一致,自己可以弄一组试试;复杂度是 O(N * logN)

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void TestHeapSort()
{
	//建堆
	//升序建大堆
	//降序建小堆
	int a[] = { 4,2,8,1,5,6,9,7 };
	int sz = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
	//向上调整建堆,遍历每个数,放进去的每个数都要调整
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		AdjustUp(a, i);
	}
	int end = sz - 1;
	while (end)
	{
		Swap(&a[0], &a[end]);
		AdjustDown(a, end, 0);
		end--;
	}
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
}

向上调整建堆复杂度

  1. 每层节点多,向上调整次数就多
  2. 每层节点少,向上调整次数就少

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6.2向下调整建堆

  1. 向下调整建堆的动图 复杂度:O(N)

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再来看看调式代码中对不对

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6.2.1代码排序逻辑

  1. 经过上面了解,这里知道了向下调整建堆更好;
  2. 降序举例:先交换堆顶数据,最小数是不是就到了数组的最末尾
  3. 刚好是数组最后一个数,然后end –范围缩小;通过向下调整堆
  4. 如此往复,最后数组中就是倒叙了

这里用动图调试代码的过程来展示排序逻辑为什么降序要建小堆;

注意:这里主要展示排序逻辑

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找到第一个非叶子节点

  1. 这里为什么写成(sz – 1 – 1) / 2,可以从上面的动图得知 sz – 1是数组的最后一个元素,那么还有一个 -1呢?,则是要通过字节点找到父节点,所需要的 – 1
  2. 假设两个子节点,下标分别是5和6; (5 – 1) / 2 = 2 和 (6 – 1) / 2 = 2 ,通过计算就可得出他们的父节点都是下标2
  3. 以此向前遍历直到下标为0,建堆就完成了
void TestHeapSort()
{
	//建堆
	//升序建大堆
	//降序建小堆
	int a[] = { 4,2,8,1,5,6,9,7 };
	int sz = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
	//向下调整建堆,遍历每个数,放进去的每个数都要调整
	for (int i = (sz - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(a, sz, 0);
	}
	int end = sz - 1;
	while (end)
	{
		Swap(&a[0], &a[end]);
		AdjustDown(a, end, 0);
		end--;
	}
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
}
  1. 排序的向下调整复杂度
  2. 这个调整过程中次数是变化的

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6.2.2向下调整建堆复杂度

  1. 每层节点越少,调整次数多
  2. 每层节点越多,调整次数少
  3. 小堆,父节点始终要大于字节的;也跟高度息息相关
  4. 该层节点向下调整的总次数,每次只会选择最小的那个向下调整

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二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(36)

7.TopK问题

TopK,意思就是找出前10个最大的,或者最小的数据;常用于购物排序金额,或者前10的首富等等

7.1方法1

  1. 建N个数的堆 O(N)
  2. Pop k次 O(k*logN)
  3. 如果10亿数据你要怎么办?,先来看看这些数据有多大
  4. 从下面图中,可以看出数据量有大约4G,但是不到4G,虽然可以分多次进行
  5. 因为是用数组开辟的空间,占用的空间太大,本来电脑内存不算大,你还要占几G,所以还是换个方法吧

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7.2方法2

前N最大,建小堆

前N最小,建大堆

  1. k是什么就建一个K个大小的堆;找出前10个最大的,建小堆;依次和堆顶比较,比对顶大就替换堆顶数据,然后向下调整
  2. 调整过后,最小的又会到堆顶,依次循环;最后堆里就是前10个最大的了

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代码逻辑

  1. 造数据,把获取到的随机数数据都放到文件中,就不占用内存了
  2. 打开数据文件,malloc K个大小的数组空间
  3. 因为是前十个最大的,所以建小堆,读取数据给给数组建小堆;
  4. 通过fscanf读取数据,和scanf一样会过滤掉空格换行,制表符等等;如果还不会fscanf的可以去看看这篇博客 –>  文件操作
  5. 接下来就是比较堆顶数据,比堆顶大向下调整;
  6. 还有一个小问题:你怎么知道找到的数据是最大的前10个。解决方法是:固定产生10W以内的数据,然后更改文件内数据,设置比10w大的数据,最后排序是你设置的这些数,那就没问题了
    1. int x = (rand() + i) % 100000;
//造数据
void CreateData()
{
	int n = 100;
	srand(time(0));
	//写入文件
	FILE* pf = fopen("Data.txt", "w");//w 写入 ,r读取
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen fail");
		return;
	}
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		int x = (rand() + i) % 100000;// + i 减少数据重复,rand最多产生3w不重复的
		//写入
		fprintf(pf, "%d
", x);
	}
	fclose(pf);
	pf = NULL;
}
void TopK(int k)
{
	//打开文件
	FILE* pf = fopen("Data.txt", "r");//w 写入 ,r读取
	if (pf == NULL)
	{
		perror("fopen fail");
		return;
	}

	//开辟k个空间大小
	int* kminHeap = (int*)malloc(sizeof(int) * k);
	if (kminHeap == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	//读取文件中数据
	for (int i = 0; i = 0; j--)
	{
		AdjustDown(kminHeap, k, j);//向下调整建堆
	}

	//比较
	int x = 0;//创建一个临时的变量,读取到x中
	//int ret = 0;
	while (fscanf(pf, "%d", &x) > 0)//遇到文件末尾返回非0值,
	{
		//printf("%d
", 66);
		if (x > kminHeap[0])
		{
			kminHeap[0] = x;
			AdjustDown(kminHeap, k, 0);
		}
	}
	for (int i = 0; i < k; i++)
	{
		fprintf(stdout,"%d ",kminHeap[i]);
	}
}
  1. 排序结束,找到的数据均是我设置比10w大的,说明这个找前10个最大的没问题

二叉树和数的概念;以及二叉树中堆的实现和堆排序(向上和向下调整算法)大白话 上篇插图(39)

总结

最近快期末了,很烦,很不喜欢做自己不喜欢的时候;这期稍微更新慢了,一眨眼博客半个月没写了

加油!,各位希望以后有机会相见!

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