C/C++ 堆排序

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一、前言

今天要介绍的是堆排序。

首先什么是堆？简而言之，堆就是二叉树的数组形式，用数组来存储二叉树。

这个堆和C语言中讲的堆区是不同的两个概念，不要混淆。

二、堆排序

堆排序的核心就是构建一个特殊的二叉树，这个二叉树的特性是：其父节点大于等于（小于等于）其左右孩子结点。

故，最终创建的二叉树的根节点会是该二叉树的最大值（最小值）。

那怎么才能让整个数组中的数据有序呢？那我们就让数组中第一个数和最后一个数进行交换，然后以第一个数和倒数第二个数为端点，继续进行构建堆，然后选出次最小值。以此类推~~~

我以大根堆为例（从数组下标为1的地方开始存储）：

1、堆的数据类型

typedef int HpDataType;
typedef struct Heap
{
	HpDataType* a;//进行存储堆中的数据
	int size;//该堆的有效数据个数
	int capacity;//该堆中的容量
}Hp;

2、堆的初始化

//初始化
void Heapinit(Hp* php)
{
	assert(php);//断言，如果php为空的话，报错
	php -> a = NULL;
	php -> size = 0;
	php -> capacity = 0;
}

3、堆的销毁

//堆的销毁
void HeapDestory(Hp* php)
{
	assert(php);
	free(php -> a);//释放掉开辟的空间
	php -> a = NULL;//防止php -> a为野指针
	php -> size = 0;
	php -> capacity = 0;
}

4、堆的创建

// 堆的创建
// k为要插入到堆里面的元素
void Heap_push(Hp* php, int k)
{
	assert(php); //断言
	if (php -> size == php -> capacity)// 如果容量不够，扩容
	{
		// 如果容量为0，则给个初始值，否则就二倍扩容
		int size = php -> capacity == 0 ? 4 : php -> capacity * 2;
		Hp* tmp = (Hp* ) realloc(php -> a, (size + 1) * sizeof(int));
		if (tmp == NULL) 
		{
			perror("realloc failed");
			exit(-1);// 扩容失败则结束程序
		}

		php -> a = tmp;
		php -> capacity = size;	
	}

	// 插入到堆的最后
	php -> a[++ php -> size] = k;

	// 向上调整，如果比父节点要大就进行交换
	up(php -> a, php -> size);
}

?5、向上调整

// 向上调整
// idx为要调整元素的下标
void up(int* a, int idx)
{
	assert(a);
	int child = idx;// 该结点下标
	int parent = child / 2;// 该结点的父节点，我是从下标为1开始存的

	while (child != 1)
	{
		if (a[parent] < a[child])
		{
			Swap(&a[parent], &a[child]);
		}
		else
		{
			// 不需要调整，就退出
			break;
		}

		// 继续向上找
		child = child / 2;
		parent = parent / 2;
	}
}

?6、删除堆的最后一个元素

该操作的主要作用是将该堆中最大的元素进行归位，并且进行调整除了最后一个元素的二叉树的顺序，使其仍为一个堆。

// 进行删除最后一个元素
void Heappop(Hp* php)
{
	assert(php);
	assert(php -> size > 0);
	
	Swap(&php -> a[1], &php -> a[php -> size]);
	php -> size --;

	int parent = 1;
	int child = 2 * parent;

	while (child <= php -> size)
	{
		// 假设左节点最大，如果右结点比左节点大，就child存右节点下标
		if (child + 1 <= php -> size && php -> a[child + 1] > php -> a[child])
		{
			child += 1;
		}
		// 判断孩子结点和父节点的值
		if (php -> a[parent] < php -> a[child])
		{
			Swap(&php -> a[parent], &php -> a[child]);
		}
		else 
		{
			// 不需要则退出
			break;
		}

		parent = child;
		child = 2 * parent;

	}
}

?7、取出堆顶元素

// 取出堆顶元素
HpDataType Heaptop(Hp* php)
{
	assert(php);
	assert(php -> size > 0);

	return php -> a[1];
}

三、总代码及其运行结果

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS  1

// 大根堆

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

typedef int HpDataType;
typedef struct Heap
{
	HpDataType* a;// 进行存储堆中的数据
	int size;// 该堆的有效数据个数
	int capacity;// 该堆中的容量
}Hp;

void Heapinit(Hp* php);// 初始化
void HeapDestory(Hp* php);// 堆的销毁
void Heap_push(Hp* php, int k);// 堆的创建
void Swap(int* a, int* b);// 交换
void up(int* a, int idx);// 向上调整
HpDataType Heaptop(Hp* php);// 取堆顶元素
void Heappop(Hp* php);// 删除堆的最后一个元素

int main()
{
	int a[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};

	Hp hp;

	Heapinit(&hp);

	int len = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
	for (int i = 0; i < len; i++ )
	{
		Heap_push(&hp, a[i]);
	}

	printf("初始堆：\n");
	for (int i = 1; i <= len; i ++ )
	{
		printf("%d ", hp.a[i]);
	}

	printf("\n有序序列：\n");

	while (hp.size > 0)
	{
		printf("%d ", Heaptop(&hp));

		Heappop(&hp);
	}

	HeapDestory(&hp);

	return 0;
}

// 初始化
void Heapinit(Hp* php)
{
	assert(php);// 断言，如果php为空的话，报错
	php -> a = NULL;
	php -> size = 0;
	php -> capacity = 0;
}

// 堆的销毁
void HeapDestory(Hp* php)
{
	assert(php);
	free(php -> a);// 释放掉开辟的空间
	php -> a = NULL;// 防止php -> a为野指针
	php -> size = 0;
	php -> capacity = 0;
}

void Swap(int* a, int* b)
{
	int tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

// 向上调整
// idx为要调整元素的下标
void up(int* a, int idx)
{
	assert(a);
	int child = idx;// 该结点下标
	int parent = child / 2;// 该结点的父节点，我是从下标为1开始存的

	while (child != 1)
	{
		if (a[parent] < a[child])
		{
			Swap(&a[parent], &a[child]);
		}
		else
		{
			// 不需要调整，就退出
			break;
		}

		// 继续向上找
		child = child / 2;
		parent = parent / 2;
	}
}

// 堆的创建
// k为要插入到堆里面的元素
void Heap_push(Hp* php, int k)
{
	assert(php); //断言
	if (php -> size == php -> capacity)// 如果容量不够，扩容
	{
		// 如果容量为0，则给个初始值，否则就二倍扩容
		int size = php -> capacity == 0 ? 4 : php -> capacity * 2;
		Hp* tmp = (Hp* ) realloc(php -> a, (size + 1) * sizeof(int));
		if (tmp == NULL) 
		{
			perror("realloc failed");
			exit(-1);// 扩容失败则结束程序
		}

		php -> a = tmp;
		php -> capacity = size;	
	}

	// 插入到堆的最后
	php -> a[++ php -> size] = k;

	// 向上调整，如果比父节点要大就进行交换
	up(php -> a, php -> size);
}

// 取出堆顶元素
HpDataType Heaptop(Hp* php)
{
	assert(php);
	assert(php -> size > 0);

	return php -> a[1];
}

// 进行删除最后一个元素
void Heappop(Hp* php)
{
	assert(php);
	assert(php -> size > 0);
	
	Swap(&php -> a[1], &php -> a[php -> size]);
	php -> size --;

	int parent = 1;
	int child = 2 * parent;

	while (child <= php -> size)
	{
		// 假设左节点最大，如果右结点比左节点大，就child存右节点下标
		if (child + 1 <= php -> size && php -> a[child + 1] > php -> a[child])
		{
			child += 1;
		}
		// 判断孩子结点和父节点的值
		if (php -> a[parent] < php -> a[child])
		{
			Swap(&php -> a[parent], &php -> a[child]);
		}
		else 
		{
			// 不需要则退出
			break;
		}

		parent = child;
		child = 2 * parent;

	}
}

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