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堆排序是選擇排序嗎
堆排序是選擇排序嗎
更新时间:2025-11-03 20:10:09

一、堆結構簡述

堆的底層是使用數組來實現的,但卻保持了二叉樹的特性。堆分為兩種,最大堆和最小堆,以最大堆為例,最大堆保持了根結點大于兩個左右兩個孩子,同時所有子樹一次類推。由于堆底層是數組結構,這裡從跟結點開始,按照層序依次走到最後一個結點,結點下标分貝為0~N-1。結構如下圖:

堆排序是選擇排序嗎(什麼是堆排序)1

上圖中,紫色表示的是該元素在數組中的下标,可以看到,每個結點的值總是大于它的左右孩子,這裡并沒有規定左右孩子的大小關系,也沒有規定不是同一棵樹之間結點的大小關系。這就是最大堆。同時這裡可以注意到,如果是大堆,根節點一定是樹中最大的結點,同樣,如果是小堆,根節點一定是樹中最小的結點。

二、algorithm 中的堆算法

首先給出一個利用STL中堆算法的實例

#include <algorithm> #include <vector> void test() { int arr[] = {1,2,3,4,5,6,7}; vector<int> vec(arr, arr 7); // 左開右閉類型 make_heap(vec.begin(), vec.end()); // 默認建大堆 pop_heap(v1.begin(), v1.end()); v1.pop_back(); sort_heap(vec.begin(), vec.end()); // 堆排序 for(size_t i = 0; i < vec.size(); i ) cout<<vec[i]<<" "; cout<<endl; }

上面代碼,首先用一個數組構建了一個向量,之後對向量vec建堆,pop出調整之後的向量中第一個元素,并進行調整,然後進行堆排序,最後将結果打印出來,打印結果如下:

堆排序是選擇排序嗎(什麼是堆排序)2

看完了heap算法的基本使用,再來了解一下STL中是如何提供這些算法接口的。

1、make_heap

前面提到過,堆分為大堆和小堆,我們建立堆的時候就需要确定,但剛剛例子中,我們并沒有去指定大小堆。STL中規定,沒有指定的話,默認大堆結構。從上面關于make_heap的兩套接口可以看到,第一種是默認的,沒有提供指定大小堆的接口,第二種這裡有實現。我們可通過仿函數的結構,實現這裡的傳參。

堆排序是選擇排序嗎(什麼是堆排序)3

對剛剛給出的例子,我們現在可以解釋另外一個問題,為什麼我們要進行堆排序,首先要構建vector呢?因為堆的底層實現就是通過數組的形式,而vector是堆數組的高級封裝,這些庫中實現好的容器給出了很多實用的接口和叠代器,使用起來的确可以方便不少。make_heap給出的接口中,前兩個是任意類型的叠代器(當然,這裡也可以直接傳遞數組的指針),不論是make_heap還是其他三個函數,這裡的叠代器區間總是左閉右開的,這是個需要注意的地方。

接下來我們來介紹仿函數這裡的實現。還是上面的例子,如何讓上面剪子一個最小堆呢?

<span style="font-family:'楷體', '楷體_GB2312', SimKai;font-size:18px;">//仿函數結構:</span><span style="font-family:sans-serif;"><br><br>struct Compare<br>{<br><span style="line-height:0px;"></span><span style="line-height:0px;"></span> bool operator()(int num1, int num2)<br> {<br> return num1 > num2;<br> }<span style="line-height:0px;"></span><span style="line-height:0px;"></span><br>};</span><br>

// 建堆時,參數傳遞改為

<span style="font-size:18px;font-family:'楷體', '楷體_GB2312', SimKai;">make_heap(vec.begin(), vec.end() , Compare()); // 建小堆<br></span

上面寫的是num1 > num2,這樣建出來頂點是小堆。關于make_heap就說到這裡。

2、push_heap 與 pop_heap

push表示的是向vector中插入一個元素,但這裡它并不是直接插入元素,準确的說,它的功能隻是做調整,在push_heap之前,首先需要調用vec.push_back(x),向vector尾部插入一個元素,然後在調用push_heap函數進行調整,使得整個樹重新滿足堆結構。

pop_heap與push_heap類似,同樣沒有直接改變vector中元素個數的能力。對于堆而言,pop要做的是将vector的第一個元素扔出去,為了不直接破壞樹的結構,這裡先調用pop_heap函數,将堆中的最大值或最小值放到vector的尾部,同時進行一次調整,使得堆結構依然成立,然後調用vec.pop back()函數,将最後一個元素從vector中剔除。這就是插入和删除的整個過程。

3、sort_heap

顧名思義,sort_heap就是進行堆排序的意思,對堆結構進行排序,得到的結果就是vector中的元素變得有序。這裡,構建大堆,排序結果是升序的,構建小堆,得到的排序結果是降序的。

上面就是關于堆排序的基本算法。

這裡有幾點需要注意的:

  • 因為堆結構,是建立在vector上的結構,所以如果要進行堆排序,整個過程中至少一次建堆(make_heap)的過程。

  • 當建堆完成之後,如果再向vector中插入元素,需要調用 push_heap(v1.begin(), v1.end()) 進行一次向上調整;如果從vector中Pop出一個元素,需要調用 pop_heap(v1.begin(), v1.end()) 進行一次向下調整。

  • 如果沒有調整,當調用 sort_heap(v1.begin(), v1.end()) 函數的過程中,會出現由于堆不合法引起的斷言錯誤。

  • 不可以讓vector多次尾插,之後再多次向上調整,會造成堆混亂,排序時也會出現斷言錯誤。多次插入或删除之後,可以再次進行重新建堆,隻不過消耗的時間代價會比較大。

三、堆結構實際應用

看一道試題:統計公司員工最喜歡吃的前K種水果

有過上面的基礎,我這裡直接給出demo

#include <algorithm> #include <map> #include <string> #include <vector> struct Min { bool operator()(pair<string, int> p1, pair<string, int> p2) { return p1.second > p2.second; } }; void HeapSort() { vector<string> v1 = { "蘋果", "香蕉", "蘋果" , "蘋果", "蘋果", "香蕉" , "蘋果", "猕猴桃", "草莓" }; map<string, int> fruit; //用map統計次數 for (size_t i = 0; i < v1.size(); i ) { fruit[v1[i]] ; } // 用heap排序 vector<pair<string, int>> vec; map<string, int>::iterator it = fruit.begin(); //while (it != fruit.end()) //{ // vec.push_back(pair<string, int>(it->first, it->second)); // it ; //} vec.insert(vec.begin(), fruit.begin(), fruit.end()); make_heap(vec.begin(), vec.end(), Min()); sort_heap(vec.begin(), vec.end(), Min()); int K = 3; for (size_t i = 0; (i < K) && (i < vec.size()); i ) { cout << vec[i].first <<"--"<<vec[i].second<< endl; } } int main() { HeapSort(); system("pause"); return 0; }

堆排序是數據結構中一塊很重要的内容,希望大家好好學習。

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