Golang?Heap的源碼剖析
堆原理解析
堆一般指二叉堆。是使用完全二叉樹這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的一種實(shí)際應(yīng)用。通過它的特性,分為最大堆和最小堆兩種。

如上圖可知,最小堆就是在這顆二叉樹中,任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的值比其所在子樹的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都要小。最大堆就是在這顆二叉樹中,任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的值都比起所在子樹的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)值都要大。
那么如何構(gòu)建一個(gè)堆呢?首先要將所有的元素構(gòu)建為一個(gè)完全二叉樹。完全二叉樹是指除葉子節(jié)點(diǎn),所有層級是滿節(jié)點(diǎn),葉子節(jié)點(diǎn)從左向右排列填滿。
在一個(gè)完全二叉樹中,將數(shù)據(jù)重新按照堆的的特性排列,就可以將完全二叉樹變成一個(gè)堆。這個(gè)過程叫做“堆化”。
在堆中,我們要?jiǎng)h除一個(gè)元素一般從堆頂刪除(可以取到最大值/最小值)。刪除之后,數(shù)據(jù)集就不能算作一個(gè)堆了,因?yàn)樽铐攲拥脑貨]有了,數(shù)據(jù)集不符合完全二叉樹的定義。這時(shí),我們需要將堆的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列,也就是重新“堆化”。同樣的,在堆中新添加一個(gè)元素也需要重新做“堆化”的操作,來將數(shù)據(jù)集恢復(fù)到滿足堆定義的狀態(tài)。
所以,在堆這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,最重要的是“堆化”的這個(gè)算法操作。其次,堆化數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)也是很重要的。接下來,詳細(xì)說一下。
完全二叉樹的存儲(chǔ)方式
對于二叉樹來說,存儲(chǔ)方式有2種,一種使用數(shù)組的形式來存儲(chǔ),一種使用鏈表的方式存儲(chǔ)。同樣的,這兩種方式繼承了這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的壞處和好處。鏈表的方式相對浪費(fèi)存儲(chǔ)空間,因?yàn)橐鎯?chǔ)左右子樹的指針,但擴(kuò)縮容方便。而數(shù)組更加節(jié)省空間,更加方便定位節(jié)點(diǎn),缺點(diǎn)則是擴(kuò)縮容不便。
我們以數(shù)組的方式來做示例,了解存儲(chǔ)的細(xì)節(jié):

我們不用 (index = 0) 的位置來存儲(chǔ)數(shù)據(jù),而是從 (index = 1) 開始,這樣,對于任意一個(gè)節(jié)點(diǎn) (i) 來說,就有 左節(jié)點(diǎn) (2i),右節(jié)點(diǎn) (2i+1),而父節(jié)點(diǎn)就是 (\frac i 2)。
堆的操作
我們先介紹兩種常用的堆操作:pop & push,添加一個(gè)元素和刪除一個(gè)元素。
假如我們有如下的一個(gè)最大堆,當(dāng)我們添加了一個(gè)元素之后,就需要做“堆化”,使得堆滿足定義。

這種從堆底向上堆化的過程,叫做“從下到上堆化”。我把這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)為代碼,如下:
// 從下到上堆化
func (h *Heap) downToUpHeapify(pos int) {
for pos / 2 > 0 && h.data[pos/2].Less(h.data[pos]) { // 如果存在父節(jié)點(diǎn) & 值大于父節(jié)點(diǎn)
h.swap(pos, pos/2) // 交換兩個(gè)值的位置
pos = pos /2 // 將操作節(jié)點(diǎn)變?yōu)楦腹?jié)點(diǎn)的位置
}
}當(dāng)我們想要從堆頂 pop 一個(gè)元素的時(shí)候。我們需要先將元素pop,然后把堆中最后一個(gè)元素放到堆頂,然后進(jìn)行一次“堆化”。

這種從堆頂向下堆化的過程,叫做“從上到下堆化”。我把這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)為代碼,如下:
// 從上到下堆化
func (h *Heap) upToDownHeapify() {
max := h.len
i := 1
pos := i
for {
if i * 2 <= max && h.data[i].Less(h.data[i*2]) { // 如果有左子樹,且自己小于左子樹
pos = i*2
}
if i *2 +1 <= max && h.data[pos].Less(h.data[i*2+1]) { // 如果有右子樹,且自己小于右子樹
pos = i*2+1
}
if pos == i { // 如果位置沒有變化,說明堆化結(jié)束
break
}
h.swap(i, pos) // 交換當(dāng)前位置和下一個(gè)位置的內(nèi)容
i = pos // 操作下一個(gè)位置
}
}Golang 的 container.heap 包
注意,上述的講述中,為了方便表示,我們在數(shù)組的索引0沒有存儲(chǔ)內(nèi)容,從索引1開始存儲(chǔ)。 而 Golang 的實(shí)現(xiàn)中,索引0 是存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)的。這樣的話,每一個(gè)元素的左子樹和右子樹就分別變成了 (2i+1) 和 (2i+2)。
Golang 的 Container.heap 是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了通用最小堆的包。任何數(shù)據(jù)集只要實(shí)現(xiàn)了其 Interface 接口,即可使用這個(gè)包將其堆化,并進(jìn)行一系列的操作。
type Interface interface {
sort.Interface
Push(x interface{}) // 把元素添加到 Len() 的位置
Pop() interface{} // 刪除并返回 Len() - 1 的元素.
}
// sort.Interface
type Interface interface {
// Len is the number of elements in the collection.
Len() int
// Less reports whether the element with
// index i should sort before the element with index j.
Less(i, j int) bool
// Swap swaps the elements with indexes i and j.
Swap(i, j int)
}Interface 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如上,要求實(shí)現(xiàn) sort.Interface 和 Push Pop 兩個(gè)方法。
sort.Interface 的定義,同樣貼在了上面,主要是三個(gè)方法:
- Len 返回?cái)?shù)據(jù)集的長度;
- Less 返回 index i 是否小于 index j;
- Swap 交換 index i 和 j 的值;
接下來,我們看一下 Push 操作:
func Push(h Interface, x interface{}) {
h.Push(x) // 向數(shù)據(jù)集添加一個(gè)元素
up(h, h.Len()-1) // 從下向上堆化
}
// 從下向上堆化的內(nèi)容
func up(h Interface, j int) {
// h 表示堆,j 代表需要堆化的元素 index
for {
i := (j - 1) / 2 // 定義 j 的父 index
if i == j || !h.Less(j, i) { // 如果兩個(gè)元素相等 或者 父元素小于當(dāng)前元素
break // 堆化完成
}
h.Swap(i, j) // 交換父元素和當(dāng)前元素
j = i // index 變?yōu)楦冈氐?index
}
}上面在 push 元素之后,做了 “從下到上”的堆化。
接下來,是 Pop 操作:
// 返回堆頂?shù)脑兀h掉它
func Pop(h Interface) interface{} {
n := h.Len() - 1 // 獲取最終堆長度(去掉最后一個(gè)元素)
h.Swap(0, n) // 交換堆頂和最后一個(gè)元素
down(h, 0, n) // 從上到下堆化
return h.Pop() // 彈出最后一個(gè)元素
}
func down(h Interface, i0, n int) bool {
i := i0 // 堆頂 index
for {
j1 := 2*i + 1 // 左孩子 index
if j1 >= n || j1 < 0 { // j1 大于堆長度 或 溢出
break // 堆化結(jié)束
}
j := j1 // j = 左孩子
if j2 := j1 + 1; j2 < n && h.Less(j2, j1) {
// j2 = 右孩子;j 小于堆長度 && 右孩子小于左孩子
j = j2 // j = 2*i + 2 = 右孩子
}
// 上面是從左右孩子選出小的那個(gè),將 index 賦值給 j
if !h.Less(j, i) { // 如果 堆頂小于 j , 堆化結(jié)束
break
}
h.Swap(i, j) // 交換堆頂元素和 j
i = j // 切換到下一個(gè)操作 index
}
// 返回 元素是否有移動(dòng)
// 此處是一個(gè)特殊設(shè)計(jì),用來判斷向下堆化是否真的有操作
// 當(dāng)刪除中間的元素時(shí),如果向下堆化沒有操作的話,就需要再做向上堆化
return i > i0
}Golang 還提供了之前原理講述中沒有的方法: Remove Fix
- Remove 是刪除堆中指定元素,不一定是堆頂;
- Fix 是當(dāng)某一個(gè)元素的值有變化時(shí),用來重新堆化;
func Remove(h Interface, i int) interface{} {
n := h.Len() - 1 // 堆的長度
if n != i { // 如果不是堆頂
h.Swap(i, n) // 交換刪除元素 和 最后一個(gè)元素
if !down(h, i, n) { // 從上到下堆化
up(h, i) // 如果沒有成功,就從下島上堆化
}
}
return h.Pop() // 彈出最后一個(gè)元素
}
func Fix(h Interface, i int) {
// i 是值被改變的 index
if !down(h, i, h.Len()) { // 從上到下堆化
up(h, i) // 如果沒有成功,就從下島上堆化
}
}這里有一個(gè)內(nèi)容需要注意,就是 Remove 中, (n = Len() -1) 來表示堆長度,而在 Fix 則使用 (n = Len()) 來表示。這是因?yàn)?Remove 中,最后一個(gè)元素是要被刪除掉,所以最終的堆長度是 (Len() – 1)。
上面我們已經(jīng)了解了 Golang 中,對于一個(gè)堆的所有操作。只剩下最后一個(gè)方法:Init,初始化一個(gè)數(shù)據(jù)集,變成堆。
func Init(h Interface) {
n := h.Len() // n 是堆長度
// i = 最后一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)的 index; i >= 堆頂; index 自減
for i := n/2 - 1; i >= 0; i-- {
// 從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)開始,從上到下堆化
down(h, i, n)
}
}根據(jù)堆的特性可知,葉子節(jié)點(diǎn)不可以從上到下堆化。所以,我們找到最后非葉子節(jié)點(diǎn)的索引值,從這里開始做堆化操作。
至此,container.heap 包中的內(nèi)容就全部講解完畢。了解了堆的原理之后,其實(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)并不難理解。
堆的應(yīng)用
在堆排序中,就需要用到堆算法來將數(shù)據(jù)級堆化,然后一個(gè)個(gè)的彈出元素,以達(dá)到排序的目的。
堆也可以用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級隊(duì)列。優(yōu)先級隊(duì)列在實(shí)際開發(fā)過程中有著廣泛的應(yīng)用。在很多時(shí)候,都可以用它來實(shí)現(xiàn)處理帶優(yōu)先級的事件,處理定時(shí)任務(wù)等等。
以上就是Golang Heap的源碼剖析的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Golang Heap的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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