数据结构与算法Day22----堆的应用

一、优先级队列:

1、优先级队列特点:

  数据的出队顺序不是先进先出,而是按照优先级来,优先级最高的,最先出队。

2、应用:

<1>、合并有序小文件:

  将从小文件中取出来的字符串放入到小顶堆中,那么堆顶的元素,也就是优先级队列队首的元素,就是最小的字符串。将这个字符串放入到大文件中,并将其从堆中删除。然后再从小文件中取出下一个字符串,放入到堆中。循环这个过程,就可以将100个小文件中的数据依次放入到大文件中。

<2>、高性能定时器:

  按照任务设定的执行时间,将这些任务存储在优先级队列中,队列首部(也就是小顶堆的堆顶)存储的是最先执行的任务。这样,定时器就不需要每隔1秒就扫描一遍任务列表了。它拿队首任务的执行时间点,与当前时间点相减,得到一个时间间隔T。这个时间间隔T就是,从当前时间开始,需要等待多久,才会有第一个任务需要被执行。这样,定时器就可以设定在T秒之后,再来执行任务。从当前时间点到(T-1)秒这段时间里,定时器都不需要做任何事情。当T秒时间过去之后,定时器取优先级队列中队首的任务执行。然后再计算新的队首任务的执行时间点与当前时间点的差值,把这个值作为定时器执行下一个任务需要等待的时间。这样,定时器既不用间隔1秒就轮询一次,也不用遍历整个任务列表,性能也就提高了

二、利用堆求Top K:

1、针对静态数据集合(数据集合事先确定,不会再变):

<1>、操作步骤:

  在一个包含n个数据的数组中,查找前K大数据,可以维护一个大小为K的小顶堆,顺序遍历数组,从数组中取出取数据与堆顶元素比较。如果比堆顶元素大,就把堆顶元素删除,并且将这个元素插入到堆中;如果比堆顶元素小,则不做处理,继续遍历数组。这样等数组中的数据都遍历完之后,堆中的数据就是前K大数据了。

<2>、时间复杂度:

  遍历数组需要O(n)的时间复杂度,一次堆化操作需要O(logK)的时间复杂度,所以最坏情况下, n个元素都入堆一次,所以时间复杂度就是O(nlogK)

2、针对动态数据集合(数据集合事先并不确定,有数据动态地加入到集合中):

<1>、操作步骤:

  可以一直都维护一个K大小的小顶堆,当有数据被添加到集合中时,就拿它与堆顶的元素对比。如果比堆顶元素大,就把堆顶元素删除,并且将这个元素插入到堆中;如果比堆顶元素小,则不做处理。这样,无论任何时候需要查询当前的前K大数据,都可以里立刻返回。

<2>、时间复杂度:

  每次询问前K大数据,都基于当前的数据重新计算,时间复杂度就是O(nlogK), n表示当前的数据的大小。

三、利用堆求中位数:

1、中位数:

  中位数,就是处在中间位置的那个数。如果数据的个数是奇数,把数据从小到大排列,那第\frac{n}{2}+1个数据就是中位数;如果数据的个数是偶数的话,那处于中间位置的数据有两个,第\frac{n}{2}个和第\frac{n}{2}+1个数据,这个时候,可以随意取一个作为中位数,比如取两个数中靠前的那个,就是第\frac{n}{2}个数据。

2、对于一组静态数据:

中位数是固定的,我们可以先排序,第\frac{n}{2}个数据就是中位数。每次询问中位数的时候,我们直接返回这个固定的值就好了。所以,尽管排序的代价比较大,但是边际成本会很小。

3、对于动态数据集合:

  首先需要维护两个堆,一个大顶堆,一个小顶堆。大顶堆中存储前半部分数据,小顶堆中存储后半部分数据,且小顶堆中的数据都大于大顶堆中的数据。也就是说,如果有n个数据, n是偶数,将数据从小到大排序,那前\frac{n}{2}个数据存储在大顶堆中,后\frac{n}{2}个数据存储在小顶堆中。这样,大顶堆中的堆顶元素就是要找的中位数。如果n是奇数,情况是类似的,大顶堆就存储\frac{n}{2}+1个数据,小顶堆中就存储\frac{n}{2}个数据。
  当新添加一个数据的时候,如果新进元素值大于等于小顶堆堆顶元素的,插入小顶堆,否则插入大顶堆。这个时候就有可能出现,两个堆中的数据个数不符合前面约定的情况:如果n是偶数,两个堆中的数据个数都是\frac{n}{2};如果n是奇数,大顶堆有\frac{n}{2}+1个数据,小顶堆有\frac{n}{2}个数据。这个时候,可以从一个堆中不停地将堆顶元素移动到另一个堆,通过这样的调整,来让两个堆中的数据满足上面的约定。

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