C++实现小顶堆及堆排序完整代码
本文详细解析如何使用C++手动实现一个小顶堆(Min-Heap),并以此为基础演示堆排序(Heap Sort)的核心逻辑。内容包含完整的头文件接口设计、底层数组操作实现以及用于验证排序结果的主程序测试代码。
堆结构的定义与接口设计
为了实现一个动态大小的堆,我们需要封装一个结构体来管理底层的动态数组。本示例采用小顶堆的实现方式,即父节点的值总是小于或等于其子节点的值,这使得堆顶(数组第一个元素)始终是当前集合中的最小值。以下是 Heap.h 中定义的核心数据结构与函数原型:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{
HPDataType* a;
int size;
int capacity;
}Heap;
//堆的向下调整算法
void AdjustDown(HPDataType* a, int n, int root);
//堆的向上调整算法
void AdjustUp(HPDataType* a, int child);
//堆的初始化
void HeapInit(Heap* php, HPDataType* a,int n);
//堆的销毁
void HeapDestroy(Heap* php);
//堆的插入
void HeapPush(Heap* php, HPDataType x);
//堆的删除
void HeapPop(Heap* php);
//堆里的数据个数
int HeapSize(Heap* php);
//判断堆是否为空
int HeapEmpty(Heap* php);
//取堆顶数据
HPDataType HeapTop(Heap* php);
堆操作接口的具体实现
堆的正确性依赖于两个核心调整算法:当新增元素时进行向上调整(AdjustUp),当移除或删除元素后进行向下调整(AdjustDown)。此外,初始化过程需要利用自底向上的向下调整算法来建立初始堆。
第1步:实现向下调整算法
目的:维持小顶堆性质,确保指定根节点的子树满足父子大小关系。入口为数组指针、节点总数和待调整的根节点索引。参数包括防止越界检查。完成状态为以该节点为根的子树恢复小顶堆形态。
#include "Heap.h"
//堆向下调整算法
//建小堆
void AdjustDown(HPDataType* a, int n, int root)
{
int parent = root;
int child = parent * 2 + 1;
//孩子超过数组下标结束
while (child < n)
{
//child始终左右孩子中小的那个
if (a[child + 1] < a[child] && child + 1 <n)//防止没有右孩子
{
++child;
}
//小的往上浮,大的往下沉
if (a[child] < a[parent])
{
int tem = a[parent];
a[parent] = a[child];
a[child] = tem;
parent = child;
child = parent * 2 + 1;
}
//中途child>parent则已满足小堆,直接break
else
{
break;
}
}
}
第2步:实现向上调整算法
目的:在新插入元素后,通过比较其与父节点的大小并交换位置,直到满足小顶堆条件。入口为新加入元素的索引。完成状态为该路径上的堆性质被修复。
//堆的向上调整算法
//建小堆
void AdjustUp(HPDataType* a, int child)
{
int parent = (child - 1) / 2;
while (child > 0)
{
if (a[child] < a[parent])
{
int tem = a[parent];
a[parent] = a[child];
a[child] = tem;
child = parent;
parent = (child - 1) / 2;
}
else
{
break;
}
}
}
第3步:实现初始化和销毁
目的:HeapInit负责分配内存并将原始数组拷贝至堆中,随后从最后一个非叶子节点开始执行向下调整以建立初始堆。HeapDestroy释放资源。注意在初始化完成后记录当前容量。
//堆的初始化
void HeapInit(Heap* php, HPDataType* a, int n)
{
assert(php);
assert(a);
php->a = (HPDataType*)malloc(n * sizeof(HPDataType));
if (php->a == NULL)
{
printf("malloc fail\n");
exit(-1);
}
for (int i = 0; i < n; i++)
{
php->a[i] = a[i];
}
//建堆
for (int i = (n - 2) / 2; i >= 0; --i)
{
AdjustDown(php->a, n, i);
}
php->capacity = n;
php->size = n;
}
//堆的销毁
void HeapDestroy(Heap* php)
{
assert(php);
free(php->a);
php->a = NULL;
php->capacity = 0;
php->size = 0;
}
第4步:实现插入与删除(堆排序关键)
目的:HeapPush在尾部添加元素并通过向上调整保持有序;HeapPop为实现堆排序的核心,它将堆顶(最小值)与末尾元素交换,缩小堆规模,再对新的堆顶进行向下调整。反复调用此方法即可得到从小到大的有序序列。
//堆的插入
void HeapPush(Heap* php, HPDataType x)
{
assert(php);
if (php->size == php->capacity)
{
HPDataType* tem = (HPDataType*)realloc(php->a,php->capacity * 2 * sizeof(HPDataType));
if (tem == NULL)
{
printf("realloc fail\n");
exit(-1);
}
php->a = tem;
php->capacity *= 2;
}
php->a[php->size] = x;
++php->size;
AdjustUp(php->a,php->size - 1);
}
//堆的删除
void HeapPop(Heap* php)
{
assert(php);
assert(php->size > 0);
HPDataType tem = php->a[php->size - 1];
php->a[php->size - 1] = php->a[0];
php->a[0] = tem;
--php->size;
AdjustDown(php->a, php->size, 0);
}
//堆里的数据个数
int HeapSize(Heap* php)
{
assert(php);
return php->size;
}
//判断堆是否为空
//为空返回1,不为空返回0
int HeapEmpty(Heap* php)
{
assert(php);
return php->size == 0 ? 1 : 0;
}
//取堆顶数据
HPDataType HeapTop(Heap* php)
{
assert(php);
assert(php->size > 0);
return php->a[0];
}
测试与堆排序结果
为了验证上述实现的正确性,我们构建一个测试函数 TestHeap。该函数初始化一组随机整数,建立小顶堆,然后循环取出堆顶元素并弹出。由于每次弹出的都是剩余元素中的最小值,最终输出的序列即为升序排列的数组。
#include "Heap.h"
void TestHeap()
{
int arr[] = { 27, 28, 65, 25, 15, 34, 19, 49, 18, 37 };
Heap hp;
HeapInit(&hp, arr, sizeof(arr)/sizeof(int));
while (!HeapEmpty(&hp))
{
printf("%d ", HeapTop(&hp));
HeapPop(&hp);
}
printf("\n");
HeapDestroy(&hp);
}
int main()
{
TestHeap();
return 0;
}
以上就是C++实现小顶堆及堆排序的详细代码实现与解析,更多关于C++数据结构与算法的资料请关注本站其它相关文章!
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