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[数据结构与算法]Algorithms-2.4 Priority Queues 优先队列

1 API和初级实现 API and elementary implementations

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		//泛型<>,中间是类名,表示声明的MinPQ实例只能储存Transaction类型的值
        //MinPQ类:删除最小值
        MinPQ<Transaction> pq = new MinPQ<Transaction>();
        while (StdIn.hasNextLine()){
            String line = StdIn.readLine();
            Transaction item = new Transaction(line); //readline自动读取下一行,可见源码
            pq.insert(item);
            if (pq.size()>M){
                pq.delMin();
            }
        }
  • 如果M和N很大,elementary PQ所需时间会很长
  • 如果用二叉堆数据结构,时间和空间复杂度俱佳,最接近最优解
    在这里插入图片描述
  • 内容无序需要每次遍历所有元素来寻找最大
  • 内容有序,每次需要把大的元素移动一位来插入小的元素,好处在于移除最小项更容易
  • 无序数组优先队列的实现:
package Chapter02;

import edu.princeton.cs.algs4.*;

import java.security.Key;

import static com.sun.xml.internal.xsom.impl.UName.comparator;

public class UnorderedMaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {
    private Key[] pq; //pq[i] = ith element on pq
    private int N; //number of elements on pq

    public UnorderedMaxPQ(int capacity){ //没有创建泛型数组
        pq = (Key[]) new Comparable[capacity];
    }

    public boolean isEmpty(){
        return N == 0;
    }

    public void insert(Key x){
        pq[N++] = x; //输入下一个数据,插入到最末
    }

    public Key delMax(){
        int max = 0;
        for (int i = 1; i < N; i++) {
            if (less(max,i))  max = i;
        }
        exch(max,N-1);
        return pq[--N];//删除最后一行
    }

    private void exch(int i, int j) {
        Key swap = pq[i];
        pq[i] = pq[j];
        pq[j] = swap;
    }

    private boolean less(int i, int j) {
        if (comparator == null) {
            return ((Comparable<Key>) pq[i]).compareTo(pq[j]) < 0;
        }
        else {
            return comparator.compare(pq[i], pq[j]) < 0;
        }
    }
}

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2 二叉堆 binary heaps

2.1 堆的定义

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  • 二叉树的每个结点都大于等于它的两个子节点时,它被称为堆有序
  • 二叉堆是一组能够用堆有序的完全二叉树排序的元素,并在数组中按照层级储存(不使用数组的第一个位置)
  • 在一个堆中,位置k的结点的父结点的位置为k/2,而它的两个子结点的位置分别为2k和2k+1
    在这里插入图片描述

2.2 堆的算法

2.2.1 由下至上的堆有序化

在这里插入图片描述

public class MaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {

    private Key[] pq; //基于堆的完全二叉树

    //堆有序化:上浮
    private void swim(int k){
        while (k > 1 && less(k/2,k)){
            exch(k/2,k);
            k = k/2; //迭代,继续检查上一个结点
        }
    }

    private boolean less(int i,int j){
        return pq[i].compareTo(pq[j]) < 0;
    }

    private void exch(int i,int j){
        Key t = pq[i];
        pq[i] = pq[j];
        pq[j] = t;
    }
}

插入元素

在这里插入图片描述

package Chapter02;

public class MaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {

    private Key[] pq; //基于堆的完全二叉树
    private int N = 0;//存储于pq[1...N]中,pq[0]没有使用
    
    public MaxPQ(int maxN){
        pq = (Key[]) new Comparable[maxN + 1];
    }
    
    public boolean isEmpty(){
        return N == 0;
    }
    
    public int size(){
        return N;
    }

    //堆有序化:上浮
    private void swim(int k){
        while (k > 1 && less(k/2,k)){
            exch(k/2,k);
            k = k/2; //迭代,继续检查上一个结点
        }
    }

    //插入元素
    public void insert(Key x){
        pq[++N] = x;
        swim(N);
    }

    private boolean less(int i,int j){
        return pq[i].compareTo(pq[j]) < 0;
    }

    private void exch(int i,int j){
        Key t = pq[i];
        pq[i] = pq[j];
        pq[j] = t;
    }
}

2.2.2 由上至下的堆有序化

在这里插入图片描述

package Chapter02;

public class MaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {

    private Key[] pq; //基于堆的完全二叉树
    private int N = 0;//存储于pq[1...N]中,pq[0]没有使用

    public MaxPQ(int maxN){
        pq = (Key[]) new Comparable[maxN + 1];
    }
    
    public boolean isEmpty(){
        return N == 0;
    }
    
    public int size(){
        return N;
    }

    //堆有序化:下沉
    private void sink(int k){
        while (2*k <= N){
            int j = 2*k;
            if (j < N && less(j,j+1)) j++;
            if (!less(k,j)) break;
            exch(k,j);
            k = j;
        }
    }

    private boolean less(int i,int j){
        return pq[i].compareTo(pq[j]) < 0;
    }

    private void exch(int i,int j){
        Key t = pq[i];
        pq[i] = pq[j];
        pq[j] = t;
    }
}

删除最大元素

在这里插入图片描述

package Chapter02;

public class MaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {

    private Key[] pq; //基于堆的完全二叉树
    private int N = 0;//存储于pq[1...N]中,pq[0]没有使用

    public MaxPQ(int maxN){
        pq = (Key[]) new Comparable[maxN + 1];
    }

    public boolean isEmpty(){
        return N == 0;
    }

    public int size(){
        return N;
    }

    //堆有序化:下沉
    private void sink(int k){
        while (2*k <= N){
            int j = 2*k;
            if (j < N && less(j,j+1)) j++;
            if (!less(k,j)) break;
            exch(k,j);
            k = j;
        }
    }

    //删除最大元素
    public Key delMax(){
        Key max = pq[1];
        exch(1,N--);//1先和N交换,然后N变为N-1
        sink(1);
        pq[N+1] = null;//不在使用的元素设为null,以便系统回收它所占的空间
        return max;
    }

    private boolean less(int i,int j){
        return pq[i].compareTo(pq[j]) < 0;
    }

    private void exch(int i,int j){
        Key t = pq[i];
        pq[i] = pq[j];
        pq[j] = t;
    }
}
  • 基于堆的优先队列
    在这里插入图片描述
  • 有逻辑的四部分
package Chapter02;

public class MaxPQ<Key extends Comparable<Key>> {

    private Key[] pq; //基于堆的完全二叉树
    private int N;//存储于pq[1...N]中,pq[0]没有使用  size

    public MaxPQ(int capacity){
        pq = (Key[]) new Comparable[capacity + 1]; //因为不用pq[0],所以capacity要+1
    }

    public boolean isEmpty(){
        return N == 0;
    }

    public int size(){
        return N;
    }

    //堆有序化:上浮
    private void swim(int k){
        while (k > 1 && less(k/2,k)){
            exch(k/2,k);
            k = k/2; //迭代,继续检查上一个结点
        }
    }

    //插入元素
    public void insert(Key x){
        pq[++N] = x;
        swim(N);
    }

    //堆有序化:下沉
    private void sink(int k){
        while (2*k <= N){
            int j = 2*k;
            if (j < N && less(j,j+1)) j++;
            if (!less(k,j)) break;
            exch(k,j);
            k = j;
        }
    }

    //删除最大元素
    public Key delMax(){
        Key max = pq[1];
        exch(1,N--);//1先和N交换,然后N变为N-1
        sink(1);
        pq[N+1] = null;//不在使用的元素设为null,以便系统回收它所占的空间
        return max;
    }

    private boolean less(int i,int j){
        return pq[i].compareTo(pq[j]) < 0;
    }

    private void exch(int i,int j){
        Key t = pq[i];
        pq[i] = pq[j];
        pq[j] = t;
    }
}

2.3 复杂度

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  • unferflow & overflow下溢和溢出
    在这里插入图片描述
  • 优先队列的数据类型需要immutable,如果用户可以改变值,无法保证堆排序操作是正常的
    在这里插入图片描述

3 堆排序 heapsort

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3.1 堆的构造

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3.2 下沉排序

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package Chapter02;

public class Heap {
    public static void sort(Comparable[] pq){
        int N = pq.length;
        //堆的构造
        for (int k = N/2; k >= 1 ; k--) {
            sink(pq,k,N);
        }
        //下沉排序
        while (N>1){
            exch(pq,1,N--);//pq[1]和最后一项交换后,N-1,最后一项不再属于pq
            sink(pq,1,N);//此时的N是-1后的N
        }
    }

    private static void sink(Comparable[] pq, int k, int N){
        while (2*k <= N){
            int j = 2*k;
            if (j < N && less(pq,j,j+1)) j++;
            if (!less(pq,k,j)) break;
            exch(pq,k,j);
            k = j;
        }
    }

    private static boolean less(Comparable[] pq, int i, int j){
        return pq[i-1].compareTo(pq[j-1]) < 0;//堆的pq[i]是array的pq[i-1],因为数组从0开始
    }

    private static void exch(Comparable[] pq, int i, int j){
        Comparable t = pq[i-1];
        pq[i-1] = pq[j-1];
        pq[j-1] = t;//考虑到pq[0]存在,处理同上
    }

	// print array to standard output
    private static void show(Comparable[] a) {
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            StdOut.println(a[i]);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        String[] a = StdIn.readAllStrings();
        sort(a);
        show(a);
    }
}

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3.3 mathematical analysis

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  • cache memory高速缓冲存储器

3.4 所有排序算法总结

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4 应用:事件驱动模拟 event-driven simulation

  • 一群在正方形中随意碰撞的粒子,可能互相碰撞,也可能碰到墙
    在这里插入图片描述
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package Chapter02;

import edu.princeton.cs.algs4.StdDraw;

public class BouncingBalls {
    public static void main(String[] args) {
        int N = Integer.parseInt(args[0]);
        Ball[] balls = new Ball[N];
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            balls[i] = new Ball();
        }
        while (true){
            StdDraw.clear();
            for (int i = 0; i < N; i++) {
                balls[i].move(0.5);
                balls[i].draw();
            }
            StdDraw.show(50);
        }
    }
}

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package Chapter02;

import edu.princeton.cs.algs4.StdDraw;

public class Ball {
    private double rx, ry; //position
    private double vx, vy; //velocity
    private final double radius = 0.1; //radius
    public Ball(){}

    public void move(double dt){
        //check for collision with walls
        if ((rx + vx*dt < radius) || (rx + vx*dt > 1.0 - radius)){//wall at x=1
            vx = -vx;
        }
        if ((ry + vy*dt < radius) || (ry + vy*dt > 1.0 - radius)){
            vy = -vy;
        }
        rx = rx + vx*dt;
        ry = ry + vy*dt;
    }

    public void draw(){
        StdDraw.filledCircle(rx,ry,radius);
    }
}

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  • 以量子大小的dt离散时间
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  • 源码见alsg4 --> CollisionSystem
% java CollisionSystem
% java CollisionSystem < billards.txt
% java CollisionSystem < brownian.txt
% java CollisionSystem < diffusion.txt
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