数据结构 —— 堆（超详细图解 & 接口函数实现）_堆数据结构

系列文章目录

数据结构 —— 顺序表
数据结构 —— 单链表
数据结构 —— 双向链表
数据结构 —— 队列
数据结构 —— 栈
数据结构 —— 堆
数据结构 —— 二叉树
数据结构 —— 八大排序

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前言

数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。数据结构是一种十分优秀的解决实际问题的模板，是先进思想的结晶。博主将会用代码结合大量图解，对数据结构进行深度剖析，以便大家更好的学习数据结构的思想。

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一、示例问题：层级管理

1.层级管理分配

假如你是一个班主任，你为了方便人员的管理，需要一些有能力的同学担任班长和组长，一个职位最多管理两个同学

2.逻辑示意图

这里由数值表示能力，数值越大能力越强，数值越小能力越弱

1. 班长 > 自己班的两个大组长
2. 大组长 > 自己组的两个小组长
3. 小组长 > 自己组的两个成员

注意：某组大组长不一定大于其他组的小组长或成员，同理某组小组长也不一定大于其他小组的成员

3.堆的引入

堆的引入：父节点永远大于其子节点，或父节点永远小于其子节点的数据结构

二、堆的概念

1.定义

堆：将所有元素按完全二叉树的顺序存储方式存储 在一个一维数组中

1. 堆中某个节点的值总是不大于或不小于其父节点的值
2. 堆总是一棵完全二叉树。

2.结构

堆的结构类型：二叉树的顺序存储结构

// 二叉树的顺序表结构
typedef int HPDataType;
// 顺序表结构
typedef struct Heap {
    HPDataType *array;
    int size;
    int capacity;
} Heap;
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3.存储

存储：用动态开辟的顺序表来存储

逻辑结构

物理结构

三、堆的接口函数

1.初始化堆

对队列的内容进行初始设置

// 堆的初始化
void HeapInit(Heap *php) {
    assert(php);
    php->array = NULL;
    php->capacity = php->size = 0;
}
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2.判断空堆

判断这个堆是否为空

// 堆的判空
int HeapEmpty(Heap *php) {
    assert(php);
    return php->size ? false : true;
}
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3.堆形态插入数据

插入 x 并保持堆的形态

思想精髓：

1. 将插入的值与它的父节点进行比较，将大的值向上交换
2. 经过多次比较交换，就维持了堆的形态

void HeapPush(Heap *php, HPDataType x) {
    assert(php);
    // 判断容量
    if (php->size == php->capacity) {
        int newCapacity = php->capacity == 0 ? 4 : php->capacity * 2;
        HPDataType *newSpace = (HPDataType *)realloc(php->array, newCapacity * sizeof(HPDataType));
        if (newSpace == NULL) {
            perror("realloc fail:");
        }
        php->array = newSpace;
        php->capacity = newCapacity;
    }
    php->array[php->size] = x;
    php->size++;
    // 算法 向上调整
    AdjustUp(php->array, php->size - 1);
}
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// 算法 向上调整
void AdjustUp(HPDataType *array, int child) {
    while (child > 0) {
        int parent = (child - 1) / 2;
        if (array[child] > array[parent]) {
            Swap(&array[child], &array[parent], sizeof(HPDataType));
            child = parent;
        } else {
            break;
        }
    }
}
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// 算法 内存交换
void Swap(void *A, void *B, int size) {
    while (size--) {
        char tmp = *(char *)A;
        *(char *)A = *(char *)B;
        *(char *)B = tmp;
        A = (char *)A + 1;
        B = (char *)B + 1;
    }
}
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4.堆形态删除顶部

删除位于堆顶的数据，并维持堆形态

思想精髓：

1. 将开头和结尾交换
2. 顺序表大小减一，就将原先堆顶位置的 (最大 或 最小) 值删除成功
3. 将现在堆顶的值向下调整，重新维持堆的形态

// 堆的删除
void HeapPop(Heap *php) {
    assert(php);
    // 将开头和结尾交换
    Swap(&php->array[0], &php->array[php->size - 1], sizeof(HPDataType));
    // 删除结尾
    php->size--;
    // 算法 向下调整
    AdjustDown(php->array, php->size, 0);
}
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// 算法 向下调整
void AdjustDown(HPDataType *array, int size, int parent) {
    int child = parent * 2 + 1;
    while (child < size) {
        // 找出最小的孩子
        if (child + 1< size && array[child + 1] CMP array[child]) {
            child++;
        }
        // 判断下调
        if (array[child] CMP array[parent]) {
            Swap(&array[child], &array[parent], sizeof(HPDataType));
            parent = child;
            child = parent * 2 + 1;
        } else {
            break;
        }
    }
}
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5.堆顶元素

获取堆顶位置的值

// 取堆顶的数据
HPDataType HeapTop(Heap *php) {
    assert(php);
    assert(!HeapEmpty(php));
    return php->array[0];
}
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6.堆的元素个数

获取堆中有效元素个数

// 堆的数据个数
int HeapSize(Heap *php) {
    assert(php);
    return php->size;
}
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7.堆的销毁

释放堆申请的空间

// 堆的销毁
void HeapDestory(Heap *php) {
    assert(php);
    free(php->array);
    php->array = NULL;
    php->capacity = php->size = 0;
}
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四、总结

堆是解决实际问题时极其常用的一种数据结构，是非常重要的解决问题的方式。堆的各种接口的复现，有利于更好的学习数据结构的思想，有利于开阔视野，学习前辈的智慧结晶。对我们后续解决实际问题也会有很大帮助。