LeetCode703. 数据流中的第K大元素

题目描述

设计一个找到数据流中第K大元素的类(class)。注意是排序后的第K大元素,不是第K个不同的元素。

你的 KthLargest 类需要一个同时接收整数 k 和整数数组nums 的构造器,它包含数据流中的初始元素。每次调用 KthLargest.add,返回当前数据流中第K大的元素。

示例:

int k = 3;
int[] arr = [4,5,8,2];
KthLargest kthLargest = new KthLargest(3, arr);
kthLargest.add(3);   // returns 4
kthLargest.add(5);   // returns 5
kthLargest.add(10);  // returns 5
kthLargest.add(9);   // returns 8
kthLargest.add(4);   // returns 8

说明:

可以假设 nums 的长度≥ k-1 且k ≥ 1。

解

这道题被打上的标签是堆的一种数据结构,那么就用堆的思路去解决这道题。

堆的性质有两种:

  1. 左右节点的元素值不能大于父节点或者不能小于父节点的元素值;
  2. 堆是一种完全二叉树

先了解堆

1550833872918.png

上面的数据结构是一种二叉堆,更多的堆可以是三叉堆甚至d叉堆。。。

  • 最小堆:每个父节点都比左右节点的元素值要小
  • 最大堆:每个父节点都比左右节点的元素值要大

移除某个节点和堆顶一样的,判断条件就是左右节点有没有比父节点的元素更小的值。

添加节点也是一样的,因为堆是一种完全二叉树,底层采用数组的形式,添加节点加在数组的末尾,然后和父节点比较,如果比父节点小的则交换,直到堆顶。如果没有比父节点小的则停止交换。

删除堆顶.gif

过程

题目要求是找到排序后的第K大个元素值,可以使用只有K长度的最小堆,堆顶的元素值则是最小的。

初始化.gif

添加元素并返回堆顶元素值

kthLargest.add(5)
add添加元素并返回堆顶元素.gif
kthLargest.add(10)
siftdown.gif

最终代码如下:

class KthLargest {
    private int k;
    MinHeap<Integer> arr;

    public KthLargest(int k, int[] nums) {
        this.k = k;
        // 只有k长度的最小堆
        arr = new MinHeap<>(k);
        for (int num : nums) {
            add(num);
        }
    }

    public int add(int val) {
        arr.heapify(val);
        return arr.peek();
    }

    /**
     * 自定义最小堆,底层采用数组数据结构
     * E 数据类型需要继承Comparable,具有数值比较的功能
     */
    private class MinHeap<E extends Comparable<E>> {
        private Array<E> data;

        public MinHeap() {
            data = new Array<>();
        }

        public MinHeap(int capacity) {
            data = new Array<>(capacity);
        }

        /**
         * 0
         * 1   2
         * 3   4   5   6
         * 父节点 i
         * 左节点 2 * i + 1
         * 右节点 2 * i + 2
         *
         * @param index
         * @return 返回index父节点的索引
         */
        private int parent(int index) {
            if (index == 0) {
                throw new IllegalArgumentException("索引为0没有父节点");
            }
            return (index - 1) / 2;
        }

        private int leftChild(int index) {
            return index * 2 + 1;
        }

        public void add(E e) {
            // 使用数组数据结构添加元素置于末尾
            data.add(e);
            siftUp(data.getSize() - 1);
        }

        /**
         * 最小堆的性质:左右节点的元素值不能大于父节点的元素值
         *
         * @param index 当前索引
         */
        private void siftUp(int index) {
            // 当前节点与父结点进行比较,当前节点比父节点小则进行交换
            while (index > 0 && data.get(parent(index)).compareTo(data.get(index)) > 0) {
                data.swap(index, parent(index));
                index = parent(index);
            }
        }

        /**
         * 这里和Java中的PriorityQueue类 heapify 方法实现同样的效果
         * ★★★★★
         * 根据题意
         * 如果待比较的元素比最小堆堆顶大,则替换
         *
         * @param e 待比较的元素值
         */
        public void heapify(E e) {
            if (peek() == null) {
                data.add(e);
                return;
            } else if (data.getSize() < k) {
                data.add(e);
                siftUp(data.getSize() - 1);
            } else if (peek().compareTo(e) < 0) {
                data.set(e);
                // 从堆顶开始
                siftDown(0);
            }
        }

        /**
         * @param index
         */
        private void siftDown(int index) {
            // while循环,依据条件是是否存在左孩子
            while (leftChild(index) < data.getSize()) {
                int j = leftChild(index);
                // 寻找左右孩子的最小的元素值
                if (j + 1 < data.getSize() && data.get(j).compareTo(data.get(j + 1)) > 0) {
                    // 存在右孩子而且右孩子的元素值比左孩子的元素值更小
                    j++;
                }
                if (data.get(index).compareTo(data.get(j)) < 0) {
                    break;
                }
                // 运行到此处说明存在左右孩子的元素值比父节点更小
                data.swap(index, j);
                index = j;
            }
        }

        /**
         * @return 返回顶节点
         */
        public E peek() {
            if (data.getSize() == 0) {
                return null;
            }
            return data.get(0);
        }

        public int getSize() {
            return data.getSize();
        }

        public boolean isEmpty() {
//            return getSize() == 0 ? true: false;
            return data.isEmpty();
        }
    }

    /**
     * 自定义数组,数据类型为E
     */
    private class Array<E> {
        private E[] data;
        private int size;

        public Array(int capacity) {
            data = (E[]) new Object[capacity];
            size = 0;
        }

        public Array() {
            // 数组长度默认为10
            this(10);
        }

        /**
         * @param index 当前索引
         * @return 返回元素值
         */
        public E get(int index) {
            if (index < 0 || index > size - 1) {
                throw new IllegalArgumentException("数组越界");
            }
            return data[index];
        }

        public void set(E e) {
            set(0, e);
        }

        public void set(int index, E e) {
            data[index] = e;
        }

        /**
         * 添加元素
         *
         * @param index 索引
         * @param e     元素值
         */
        public void add(int index, E e) {
            // 为什么index > size 而不是 index > size - 1
            // 是因为在末位添加数据的时候刚好是在size上面,所以index最大为size
            if (index < 0 || index > size) {
                throw new IllegalArgumentException("index索引不在数组范围内");
            }
            // 扩容
            if (size == data.length) {
                resize(2 * data.length);
            }
            // 将index索引后面的数值往后移一位
            for (int i = size; i > index; i--) {
                data[i] = data[i - 1];
            }
            data[index] = e;
            size++;
        }

        /**
         * 末尾添加元素
         *
         * @param e 元素值
         */
        public void add(E e) {
            add(size, e);
        }

        /**
         * 删除元素
         *
         * @param index 索引
         * @return 返回被删除的元素
         */
        public E remove(int index) {
            if (index < 0 || index > size - 1) {
                throw new IllegalArgumentException("index索引不在数组范围内");
            }
            E ret = data[index];
            // index索引后的元素往前移动一位
            for (int i = index; i < size - 1; i++) {
                data[index] = data[index + 1];
            }
            size--;
            data[size - 1] = null;
            // 缩容,而且数组为1的时候就不能再除2 ,1/2 = 0,长度为0 的数组就不能扩容
            if (size == data.length / 4 && data.length / 2 != 0) {
                resize(data.length / 2);
            }
            return ret;
        }

        /**
         * 输出末尾元素
         *
         * @return 返回被删除的元素
         */
        public E remove() {
            return remove(size - 1);
        }

        private void resize(int newCapacity) {
            E[] newData = (E[]) new Object[newCapacity];
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                newData[i] = data[i];
            }
            data = newData;
        }

        /**
         * @return 返回数组的长度
         */
        public int getSize() {
            return size;
        }

        public boolean isEmpty() {
            return size == 0 ? true : false;
        }

        public void swap(int index1, int index2) {
            E tmp = data[index1];
            data[index1] = data[index2];
            data[index2] = tmp;
        }
    }
}

|(来自大数据架构笔记公众号)|

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