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⚡ 序言
我们都知道树是一个数据结构,但可能很少听到堆这个数据结构。其实,堆就是一种特殊的完全二叉树。而对于前端来说,我们通常了解最大堆和最小堆,也经常用最大堆和最小堆来解决各种问题。比如,数组中的第 K 个最大元素、文档中前 K 个高频元素等等。
在下面的这篇文章中,将讲解堆的基础知识,并手动地用 js
来构建一个最小堆,同时剖析几道经典的 leetcode
算法题。
接下来开始进入本文的讲解~🔥
🦘 一、堆是什么?
- 堆是一种特殊的 完全二叉树 ,完全二叉树意味着每个节点都有两个孩子节点。
- 最大堆:所有的节点都 大于等于 ≥ 它的子节点;
- 最小堆:所有的节点都 小于等于 ≤ 它的子节点。
🐥 二、JS 中的堆
JS
通常用数组来表示堆。- 左侧节点的位置是
2*index+1
。 - 右侧节点的位置是
2*index+2
。 - 父节点位置是
(index - 1) / 2
。
🐝 三、堆的应用
- 堆能够高效、快速地找出最大值和最小值,时间复杂度
O(1)
。 - 在开发中,有时候我们可能会想要找到一个数组中的最大或者最小元素,而堆,就可以找出第 K 个最大(小)元素。
🐈 四、构建一个最小堆
1. 定义
从上面的小知识中我们可以了解到,对于最小堆来说,它的所有节点都小于等于它的子节点。接下来我们来看堆这个数据结构的一些常见实现方法。
2. 方法
方法 | 含义 |
---|---|
swap() | 交换两个节点的位置 |
getParentIndex() | 获取父节点的位置 |
getLeftIndex() | 获取左侧子节点的位置 |
getRightIndex() | 获取右侧子节点的位置 |
shiftUp() | 进行上移操作 |
shiftDown() | 进行下移操作 |
insert() | 插入节点的值 |
pop() | 删除堆顶操作 |
peek() | 获取堆顶的值 |
size() | 获取堆的大小 |
3. 用 js 代码实现最小堆
(1)初始化一个堆
首先我们需要先来定义一个空数组,这个数组用来存放一个堆。具体代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
}
(2)交换位置 swap()
初始化完一个堆之后,如果想要实现上下移操作,我们时不时的还需要对两个节点进行位置交换。那么我们再来写一个交换节点位置的方法。具体代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
}
(3)获取父节点的位置 getParentIndex()
上面我们讲到,父节点的位置是在 (index - 1) / 2
。 因此,我们需要传入当前节点的值索引 index
,来进行一个地板除操作,获取具体的父节点位置。具体代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取父节点的位置
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
//也可以用以下这种右移操作的方法
//return (i - 1) >> 1;
}
}
(4)获取左侧子节点的位置 getLeftIndex()
对于左侧子节点来说,其索引为 2 * index + 1
,也就是说,它是 当前节点的索引值的2倍 + 1
。具体实现代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取父节点的位置
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
//也可以用以下这种右移操作的方法
//return (i - 1) >> 1;
}
//获取左侧子节点,i为当前节点的索引
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
}
(5)获取右侧子节点的位置 getRightIndex()
对于右侧子节点来说,其索引为 2 * index + 2
,也就是说,它是 当前节点的索引值的2倍 + 2
。具体实现代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取父节点的位置
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
//也可以用以下这种右移操作的方法
//return (i - 1) >> 1;
}
//获取左侧子节点,i为当前节点的索引
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
//获取右侧子节点,i为当前节点的索引
getRightIndex(i) {
return i * 2 + 2;
}
}
(6)进行上移操作 shiftUp()
上面我们实现了获取父节点等获取各种索引的操作,现在,我们来实现上移操作。
对于上移操作来说,实现思路如下:
- 先判断当前节点的位置是否在堆的顶点处,如果是,则不进行上移操作;如果否,则继续进行比较;
- 获取父节点的位置索引,获取索引的目的是为了获取该索引的具体值;
- 将当前节点的值与父节点的值进行对比,如果父节点的值大于当前节点的值,则进行上移操作;
- 递归进行上移操作,直到到达堆顶为止。
下面给出具体的代码实现方法:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取父节点的位置
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
//也可以用以下这种右移操作的方法
//return (i - 1) >> 1;
}
//shiftUp进行上移操作
shiftUp(index) {
//如果在堆的顶点处,则不进行上移操作,直接返回结果
if (index === 0) {
return;
}
//获取父节点(即获取当前节点的父节点的值,且每个节点的父节点只有一个)
const parentIndex = this.getParentIndex(index);
//判断如果堆的父节点如果大于子节点,则进行位置交换
if (this.heap[parentIndex] > this.heap[index]) {
this.swap(parentIndex, index);
//交换完成之后,继续递归进行上移操作
this.shinftUp(parentIndex);
}
}
}
(7)进行下移操作 shiftDown()
对于下移操作来说,实现思路如下:
- 先获取左右侧节点;
- 将左侧子节点与当前节点进行比较,如果左侧子节点比当前节点小,则进行位置交换,之后将交换完的节点继续进行比较;
- 左侧节点比较完之后,接下来比较右侧节点;
- 将右侧子节点与当前节点进行比较,如果右侧子节点比当前节点小,则进行位置交换,之后将交换完的节点继续进行比较;
- 如此循环操作,直到最后一个节点为止。
下面给出具体的代码实现方法:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取左侧子节点,i为当前节点的索引
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
//获取右侧子节点,i为当前节点的索引
getRightIndex(i) {
return i * 2 + 2;
}
// 进行下移操作
shiftDown(index) {
// 获取左右侧子节点
const leftIndex = this.getLeftIndex(index);
const rightIndex = this.getRightIndex(index);
// 对左侧结点进行交换
if (this.heap[leftIndex] < this.heap[index]) {
this.swap(leftIndex, index);
this.shiftDown(leftIndex);
}
// 对右侧结点进行交换
if (this.heap[rightIndex] < this.heap[index]) {
this.swap(rightIndex, index);
this.shiftDown(rightIndex);
}
}
}
(8)插入节点的值 insert()
对于插入节点操作来说,实现思路如下:
- 将值插入堆的底部,即数组的尾部。
- 然后上移:将这个值和它的父节点进行交换,直到父节点小于等于这个插入的值。
- 大小为 k 的堆中插入元素的时间复杂度为
O(logK)
。
下面给出具体的代码实现方法:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取父节点的位置
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
//也可以用以下这种右移操作的方法
//return (i - 1) >> 1;
}
//shiftUp进行上移操作
shiftUp(index) {
//如果在堆的顶点处,则不进行上移操作,直接返回结果
if (index === 0) {
return;
}
//获取父节点(即获取当前节点的父节点的值,且每个节点的父节点只有一个)
const parentIndex = this.getParentIndex(index);
//判断如果堆的父节点如果大于子节点,则进行位置交换
if (this.heap[parentIndex] > this.heap[index]) {
this.swap(parentIndex, index);
//交换完成之后,继续递归进行上移操作
this.shinftUp(parentIndex);
}
}
//插入结点值的操作,value为被插入的值
insert(value) {
//把新的值放到数组的最后一位
this.heap.push(value);
//将值进行上移操作
this.shiftUp(this.heap.length - 1);
}
}
(9)删除堆顶操作 pop()
对于删除堆顶操作来说,实现思路如下:
- 用数组尾部元素替换堆顶(因为直接删除堆顶会破坏堆结构)。
- 然后下移:将新堆顶和它的子节点进行交换,直到子节点大于等于这个新堆顶。
- 大小为
k
的堆中删除堆顶的时间复杂度为O(logK)
。
下面给出具体的代码实现方法:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//交换节点i1和i2之间的位置
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
//获取左侧子节点,i为当前节点的索引
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
//获取右侧子节点,i为当前节点的索引
getRightIndex(i) {
return i * 2 + 2;
}
// 进行下移操作
shiftDown(index) {
// 获取左右侧子节点
const leftIndex = this.getLeftIndex(index);
const rightIndex = this.getRightIndex(index);
// 对左侧结点进行交换
if (this.heap[leftIndex] < this.heap[index]) {
this.swap(leftIndex, index);
this.shiftDown(leftIndex);
}
// 对右侧结点进行交换
if (this.heap[rightIndex] < this.heap[index]) {
this.swap(rightIndex, index);
this.shiftDown(rightIndex);
}
}
//删除堆顶操作
pop() {
//将尾部的值赋值给堆顶
this.heap[0] = this.heap.pop();
//进行下移操作
this.shiftDown(0);
}
}
(10)获取堆顶的值 peek()
对于获取堆顶的值操作来说,实现思路较为简单,也就是返回数组的头部即可获取堆顶的值。具体实现代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//获取堆顶的值
peek() {
return this.heap[0];
}
}
(11)获取堆的大小 size()
对于获取堆的大小操作来说,实现思路其实就是获取整个堆的长度,也就是返回数组的长度。具体实现代码如下:
js
class MinHeap {
//创建一个构造器,存放一个堆
constructor() {
this.heap = [];
}
//获取堆的大小
size() {
return this.heap.length;
}
}
(12)结果展示
完成上面的操作以后,接下来,我们来对写一组测试用例,演示具体的结果。具体代码如下:
js
const h = new MinHeap();
h.insert(3);
h.insert(2);
h.insert(1);
h.pop();
console.log(h); // MinHeap { heap: [ 2, 4, 3 ] }
h.peek();
h.size();
console.log(h.peek()); // 2
console.log(h.size()); // 3
🐤 五、leetcode 经典题目剖析
接下来我们引用几道经典的 leetcode
算法,来巩固树和二叉树的知识。
1. leetcode215 数组中的第 K 个最大元素(中等)
(1)题意
附上题目链接:leetcode215 数组中的第 K 个最大元素
给定整数数组 nums
和整数 k
,请返回数组中第 k
个最大的元素。
请注意,你需要找的是数组排序后的第 k
个最大的元素,而不是第 k
个不同的元素。
输入输出示例:
- 输入:
[3,2,1,5,6,4]
和k = 2
- 输出: 5
(2)解题思路
- 看到“第 K 个最大元素”。
- 考虑选择使用最小堆。
(3)解题步骤
- 构建一个最小堆,并以此把数组的值插入堆中。
- 当堆的容量超过 K,就删除堆顶。
- 插入结束后,堆顶就是第 K 个最大元素。
(4)代码实现
依据上面我们构建的最小堆,接下来,我们用这个最小堆,来完成这道题。具体代码如下:
js
class MinHeap {
constructor() {
this.heap = [];
}
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
// return (i - 1) >> 1;
}
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
getRightIndex(i) {
return i * 2 + 2;
}
shiftUp(index) {
if (index === 0) {
return;
}
const parentIndex = this.getParentIndex(index);
if (this.heap[parentIndex] > this.heap[index]) {
this.swap(parentIndex, index);
this.shiftUp(parentIndex);
}
}
shiftDown(index) {
const leftIndex = this.getLeftIndex(index);
const rightIndex = this.getRightIndex(index);
if (this.heap[leftIndex] < this.heap[index]) {
this.swap(leftIndex, index);
this.shiftDown(leftIndex);
}
if (this.heap[rightIndex] < this.heap[index]) {
this.swap(rightIndex, index);
this.shiftDown(rightIndex);
}
}
insert(value) {
this.heap.push(value);
this.shiftUp(this.heap.length - 1);
}
pop() {
this.heap[0] = this.heap.pop();
this.shiftDown(0);
}
peek() {
return this.heap[0];
}
size() {
return this.heap.length;
}
}
/**
* @param {number[]} nums
* @param {number} k
* @return {number}
*/
let findKthLargest = function (nums, k) {
const h = new MinHeap();
nums.forEach((n) => {
h.insert(n);
if (h.size() > k) {
h.pop();
}
});
return h.peek();
};
console.log(findKthLargest([3, 2, 1, 5, 6, 4], 2)); // 5
2. leetcode347 前 K 个高频元素(中等)
(1)题意
附上题目链接:leetcode347 前 K 个高频元素
给你一个整数数组 nums
和一个整数 k
,请你返回其中出现频率前 k
高的元素。你可以按 任意顺序 返回答案。
输入输出示例:
- 输入: nums = [1,1,1,2,2,3], k = 2
- 输出: [1,2]
(2)解题思路
- 字典解法:将字典转换为数组,且堆数组进行排序;
- 堆解法:构建一个最小堆,利用字典的键值关系,来记录元素出现的频率。
(3)代码实现
这道题我们用两种做法来实现,一种是字典解法,另外一种是堆解法。具体如下:
1)字典解法:
js
/**
* @param {number[]} nums
* @param {number} k
* @return {number[]}
*/
// 字典解法
let topKFrequent1 = function (nums, k) {
//定义一个数组
const map = new Map();
//先将数组中的元素存放到字典中
nums.forEach((n) => {
map.set(n, map.has(n) ? map.get(n) + 1 : 1);
});
// 将字典转换为数组,且对数组进行排序
// 对数组中的第二项进行降序(从大到小)排序,从大到小
const list = Array.from(map).sort((a, b) => b[1] - a[1]);
//使用map()方法,创建一个新数组,来存放前k个元素
return list.slice(0, k).map((n) => n[0]);
};
console.log(topKFrequent1([1, 1, 1, 2, 2, 3], 2)); // [1, 2]
2)堆解法:
js
/**
* @param {number[]} nums
* @param {number} k
* @return {number[]}
*/
// 堆解法
class MinHeap {
constructor() {
this.heap = [];
}
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
// return (i - 1) >> 1;
}
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
getRightIndex(i) {
return i * 2 + 2;
}
shiftUp(index) {
if (index === 0) {
return;
}
const parentIndex = this.getParentIndex(index);
if (
this.heap[parentIndex] &&
this.heap[parentIndex].value > this.heap[index].value
) {
this.swap(parentIndex, index);
this.shiftUp(parentIndex);
}
}
shiftDown(index) {
const leftIndex = this.getLeftIndex(index);
const rightIndex = this.getRightIndex(index);
if (
this.heap[leftIndex] &&
this.heap[leftIndex].value < this.heap[index].value
) {
this.swap(leftIndex, index);
this.shiftDown(leftIndex);
}
if (
this.heap[rightIndex] &&
this.heap[rightIndex].value < this.heap[index].value
) {
this.swap(rightIndex, index);
this.shiftDown(rightIndex);
}
}
insert(value) {
this.heap.push(value);
this.shiftUp(this.heap.length - 1);
}
pop() {
this.heap[0] = this.heap.pop();
this.shiftDown(0);
}
peek() {
return this.heap[0];
}
size() {
return this.heap.length;
}
}
let topKFrequent2 = function (nums, k) {
//初始化一个字典
const map = new Map();
//对数组挨个进行遍历,并记录出现次数
nums.forEach((n) => {
map.set(n, map.has(n) ? map.get(n) + 1 : 1);
});
//实例化一个最小堆
const h = new MinHeap();
//对字典中的所有键值对进行遍历
map.forEach((value, key) => {
//每遍历一个,堆中就插入一个
h.insert({ value, key });
//判断当前堆的大小是否大于k值
if (h.size() > k) {
h.pop();
}
});
//返回值,对字典进行遍历,得到遍历后的键即为结果;
//并通过map()方法创建一个新数组,才存放具体的值。
return h.heap.map((a) => a.key);
};
console.log(topKFrequent2([1, 1, 1, 2, 2, 3], 2)); // [2, 1]
3. leetcode23 合并 K 个排序链表(困难)
(1)题意
给你一个链表数组,每个链表都已经按升序排列。
请你将所有链表合并到一个升序链表中,返回合并后的链表。
输入输出示例:
输入: lists =
[[1,4,5],[1,3,4],[2,6]]
输出: [1,1,2,3,4,4,5,6]
解释:
js链表数组如下: [ 1->4->5, 1->3->4, 2->6 ] 将它们合并到一个有序链表中得到。 1->1->2->3->4->4->5->6
(2)解题思路
- 新链表的下一个节点一定是 k 个链表头中的最小节点。
- 考虑选择使用最小堆。
(3)解题步骤
- 构建一个最小堆,并以此把链表头插入堆中。
- 弹出堆顶接到输出链表,并将堆顶所在链表的新链表头插入堆中。
- 等堆元素全部弹出,合并工作就完成了。
(4)代码实现
js
class MinHeap {
constructor() {
this.heap = [];
}
swap(i1, i2) {
const temp = this.heap[i1];
this.heap[i1] = this.heap[i2];
this.heap[i2] = temp;
}
getParentIndex(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2);
// return (i - 1) >> 1;
}
getLeftIndex(i) {
return i * 2 + 1;
}
getRightIndex(i) {
return i * 2 + 2;
}
shiftUp(index) {
if (index === 0) {
return;
}
const parentIndex = this.getParentIndex(index);
if (
this.heap[parentIndex] &&
this.heap[parentIndex].val > this.heap[index].val
) {
this.swap(parentIndex, index);
this.shiftUp(parentIndex);
}
}
shiftDown(index) {
const leftIndex = this.getLeftIndex(index);
const rightIndex = this.getRightIndex(index);
if (
this.heap[leftIndex] &&
this.heap[leftIndex].val < this.heap[index].val
) {
this.swap(leftIndex, index);
this.shiftDown(leftIndex);
}
if (
this.heap[rightIndex] &&
this.heap[rightIndex].val < this.heap[index].val
) {
this.swap(rightIndex, index);
this.shiftDown(rightIndex);
}
}
insert(val) {
this.heap.push(val);
this.shiftUp(this.heap.length - 1);
}
pop() {
// 如果堆只有一个元素,直接返回结果
if (this.size() === 1) {
return this.heap.shift();
}
const top = this.heap[0];
this.heap[0] = this.heap.pop();
this.shiftDown(0);
return top;
}
peek() {
return this.heap[0];
}
size() {
return this.heap.length;
}
}
/**
* Definition for singly-linked list.
* function ListNode(val, next) {
* this.val = (val===undefined ? 0 : val)
* this.next = (next===undefined ? null : next)
* }
*/
/**
* @param {ListNode[]} lists
* @return {ListNode}
*/
var mergeKLists = function (lists) {
//实例化一个空链表
const res = new ListNode(0);
//定义一个p指针,指向空链表
let p = res;
//实例化一个最小堆
const h = new MinHeap();
//将题目给的链表,挨个进行遍历
lists.forEach((l) => {
//遍历后的链表如果不为空,则插入最小堆当中
if (l) {
h.insert(l);
}
});
//判断堆中是否有内容
while (h.size()) {
//删除并返回堆顶
const n = h.pop();
//让p指针的next节点指向堆顶元素
p.next = n;
//p.next的值赋给p指针
p = p.next;
//如果堆顶元素有下一个节点,则将其插入堆中
if (n.next) {
h.insert(n.next);
}
}
return res.next;
};