从二叉堆进阶到堆排序与优先队列，前端大佬都这样学...

一、二叉堆分类

大根堆

在是完全二叉树的前提下，其节点值大于其左右子节点值，称为大根堆。在大根堆中根节点是所有堆节点中的最大值。

小根堆

在是完全二叉树的前提下，其节点值小于其左右子节点值，称为小根堆。在小根堆中根节点是所有堆节点中的最小值。

二、二叉堆的存储

上述阐述了二叉堆其实就是一棵完全二叉树，然后数据满足某些特性，那么在编程中应该如何存储这些数据呢?这些数据间满足那些关系呢?

1.以数组结构存储二叉堆

在编程中我们会以数组存储二叉堆，以上述的最大堆为例，存储到数组中为如下结构：

2.二叉堆中父子节点间满足何种关系

既然数据将存储到数组中，那么就必须知道父子节点之间的关系，即：

(1)在知道父节点的索引的时候必须找到其对应的子节点;

(2)在知道子节点的索引的时候找到其对应的父节点;

如下的二叉堆，设置其根节点索引为0，然后依次递增：

已知某节点的索引为i，则其左右子节点索引为：

左节点索引 = 2 * i + 1
右节点索引 = 左节点索引 + 1

已知某节点的索引为i，则其父节点索引为：

父节点 = parseInt((i - 1) / 2)

三、堆的基本操作

当遇到二叉堆的时候，我们应该学会如何构建一个大根堆(小根堆)，这个时候就涉及到加堆和减堆的过程，下面让从加堆和减堆开始，从而使我们能够丝滑般的了解整个二叉堆的构建过程。(注：下面的例子以大根堆为例)

// 注：此处是封装的交换数组中元素的方法
// 数组中交换数据
function swap(arr, i, j) {
    let temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

1.加堆

加堆的过程实际上就是再往堆里面加入一个新的元素，然后维护该堆结构的过程，实际上就是在数组尾部加入一个元素，然后通过不断上浮，使其又调整为二叉堆结构的过程。


// 大根堆加堆过程中
function heapInsert(arr, index) {
    // 比较当前位置和其父位置，若大于其父位置，则进行交换，并将索引移动到其父位置进行循环，否则跳过
    // 结束条件是比其父位置小或者到达根节点处
    while (index > 0 && arr[index] > arr[parseInt((index - 1) / 2)]) {
        swap(arr, index, parseInt((index - 1) / 2));
        index = parseInt((index - 1) / 2);
    }

    return arr;
}

有了加堆的过程，很容易我们就可以实现创建二叉堆，如下所示：

// 创建二叉堆
function createBigTopHeap(arr) {
    for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
        arr = heapInsert(arr, i);
    }

    return arr;
}


const arr = [1, 5, 9, 10, 8, 12];

console.log(createBigTopHeap(arr)); // [ 12, 9, 10, 1, 8, 5 ]

2.减堆

减堆的过程就是将堆顶元素A和最后元素B交换，然后删除A元素并将B元素调整到合适的位置的过程，实际上就是将堆顶数据交换后，下沉数据的过程

// 减堆过程
// size指的是这个数组前多少个数构成一个堆
// 如果想把堆顶弹出，则把堆顶和最后一个数交换，把size减1，然后从0位置经历一次heapify，调整一下，剩余部分变成大顶堆
function heapify(arr, index, size) {
    // 获取其左节点索引
    let left = 2 * index + 1;
    while (left < size) {
        // 判断一下左右子节点哪个值最大，获取其最大值
        let largest = (left + 1 < size && arr[left] < arr[left + 1]) ? left + 1 : left;
        // 判断左右子节点最大值与当前要比较的节点哪个大
        largest = arr[index] > arr[largest] ? index : largest;

        // 如果最大值索引和传进来的索引一样，则该值到达指定位置，直接结束循环
        if (index === largest) {
            break;
        }

        // 进行交换，改变索引及其左子节点
        swap(arr, index, largest);
        index = largest;
        left = 2 * index + 1;
    }
  
    return arr;
}

const arr = [1, 5, 9, 10, 8, 12];

console.log(createBigTopHeap(arr));

// 交换堆顶数据与最后位置数据
swap(arr, 0, arr.length - 1);

// 通过下沉的方式获取新的堆结果
console.log(heapify(arr, 0, arr.length - 1));

四、叉堆的用途

因为二叉堆能够高效的找出最大值和最小值，所以可用于堆排序和构建优先队列。

1.堆排序

堆排序是常见的一种排序算法，整个堆排序过程如下所示：

让数组变成大根堆。
把最后一个位置和堆顶交换。
则最大值在最后，则剩余部分做heapify，则重新调整为大根堆，则堆顶位置和该部分最后位置做交换。
重复进行，直到减完，则这样最后就调整完毕，整个数组排完序(为一个升序)。

function heapSort(arr) {
    if (arr === null || arr.length === 0) {
        return [];
    }

    // 首先创建大根堆
    for (let i = 0; i < arr.length; i++) {
        arr = heapInsert(arr, i);
    }

    let size = arr.length; // 这个值用来指定多少个数组构成堆

    // 由于当前已经是大根堆，所以直接交换
    swap(arr, 0, --size);
    
    while (size > 0) {
        // 重新变成大顶堆
        heapify(arr, 0, size);
        // 进行交换
        swap(arr, 0, --size);
    }

    return arr;
}

const arr = [1, 5, 9, 10, 8, 12];

console.log(heapSort(arr)); // [ 1, 5, 8, 9, 10, 12

2.优先队列

普通的队列是一种先进先出的数据结构，元素在队列尾追加，而从队列头删除。在优先队列中，元素被赋予优先级。当访问元素时，具有最高优先级的元素最先删除。优先队列具有最高级先出 (first in, largest out)的行为特征。通常采用堆数据结构来实现。

优先队列的插入

优先队列中元素的插入就是上述heapInsert过程，通过将元素添加到数组末尾，然后通过上浮的方式将内容插入到合适位置。

优先队列中元素的删除

优先队列中元素的删除就是将根节点的元素与最后元素交换，然后将交换后的根节点下沉，调整到合适位置，重新构成二叉堆。

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文章来源：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news29/333279.html

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