【数据结构与算法】数据结构初阶：详解二叉树（二）——堆

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重要提醒：为什么我们要学那么多的数据结构？这是因为没有一种数据结构能够去应对所有场景。我们在不同的场景需要选择不同的数据结构，所以数据结构没有谁好谁坏之分，而评估数据结构的好坏要针对场景，如果在一种场景下我们需要频繁地对头部进行插入删除操作，那么这个时候我们用链表；但是如果对尾部进行插入删除操作比较频繁，那我们用顺序表比较好。

因此，不同的场景我们选择不同的数据结构。

前言：本篇文章，我们继续来看二叉树相关的知识点，在初阶的数据结构与算法阶段，我们把知识点分成三部分，复杂度作为第一部分，顺序表和链表、栈和队列、二叉树为第二部分，排序为第二部分，我们之前已经介绍完了第一部分：算法复杂度，本文我们将正式开始学习第二部分中的二叉树部分内容啦。

注意，二叉树的学习需要一定的基础，涉及到【函数栈帧的创建与销毁】，而且二叉树尤其是链式结构二叉树基本上是递归算法的暴力美学。

链接：【深入详解】函数栈帧的创建与销毁：寄存器、压栈、出栈、调用、回收空间

正文

三、二叉树的顺序结构：堆

（一）堆——顺序结构

1、堆的概念

根节点最大的堆就叫最大堆（大根堆），根节点最小的堆就叫最小堆（小根堆）。

下面是小根堆和大根堆的图片示例：

小根堆：

大根堆：

2、堆的性质

性质：

1、堆是一种完全二叉树；

2、堆中某个结点的值总是不大于或不小于其父结点的值。

二叉树性质：

对于具有 n 个结点的完全二叉树，如果按照从上到下、从左到右的数组顺序对所有结点从 0 开始编号，则对于序号为 i 的结点有：

1.若 i > 0，i位置结点的双亲序号： (i - 1)/2 ； i = 0 ，i 为根结点编号，无双亲结点；

2.若2i +1，左孩子序号： 2i + 1，2i + 1 >= n否则没有左孩子；

3.若2i+2，右孩子序号：2i+2，2i + 2 >= n否则没有右孩子。

（二）堆结构各种方法的实现

1、各种方法的实现

（1）堆结构的定义

Heap.h：

#pragma once#include#include#include//定义堆结构typedef int HPDatatype;typedef struct Heap {HPDatatype* arr;int size;//有效数据个数int capacity;//空间大小}HP;

（2）初始化

Heap.c：

//初始化void HPInit(HP* php){//断言，不能传NULL，为了提高代码的健壮性assert(php);php->arr = NULL;php->capacity = php->size = 0;}

test.c：

#include\"Heap.h\"void test01(){HP hp;HPInit(&hp);}int main(){test01();return 0;}

（3）销毁

Heap.c：

//销毁void HPDestory(HP* php){assert(php);if (php)frree(php->arr);php->arr = NULL;//堆的底层就是数组php->size = php->capacity = 0;}

test.c：

#include\"Heap.h\"void test01(){HP hp;HPInit(&hp); HPDesTroy(&hp);}int main(){test01();return 0;}

（4）打印

Heap.c：

void HPPrint(HP* php){for (int i = 0; i size; i++){printf(\"%d \", php->arr[i]);}printf(\"\\n\");}

（5）交换——Swap方法

Heap.c：

void Swap(int* x, int* y){int tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;}

（6）向上调整算法

如果存储结构修改一下，改成这样——

我们理解清楚向上调整之后，就来写一个向上调整算法的代码——

Heap.c：

//向上调整算法void AdjustUp(HPDataType* arr, int child){int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//建大堆：>//建小堆: <if (arr[child] < arr[parent]){Swap(&arr[child], &arr[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else {break;}}}

（7）向下调整算法

再让child走到parent*2+1的位置，我们的下标是01234，而child对应的下标是5，此时越界了，越界了说明没有孩子，就不用向下调整了

再举一个大根堆的例子——

每次交换完，child = parent*2+1，parent挪到child的位置，比较左右孩子，左孩子大，child位置不动，比较子与父大小，大的往上放——

//找最大的孩子if (arr[child] < arr[child + 1]);{child++;}

这个代码感觉有问题吗？

child+1可能越界了，我们改一下——

//找最大的孩子if (child + 1 < n && arr[child] < arr[child + 1]);{child++;}

这样我们便修复了一个BUG！

Heap.c：

//向下调整算法void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n){int child = parent * 2 + 1;while (child < n){//建大堆：if (child + 1  arr[child + 1]){child++;}//孩子和父亲比较//建大堆：>//建小堆:<if (arr[child] < arr[parent]){Swap(&arr[child], &arr[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1;}else {break;}}}

（8）入堆——数据插入

Heap.c：

void HPPush(HP* php, HPDataType x){assert(php);//空间不够要增容if (php->size == php->capaicty){//增容int newCapacity = php->capaicty == 0 ? 4 : 2 * php->capaicty;HPDataType* tmp = (HPDataType*)realloc(php->arr, newCapacity * sizeof(HPDataType));if (tmp == NULL){perror(\"realloc fail!\");exit(1);}php->arr = tmp;php->capaicty = newCapacity;}//空间足够php->arr[php->size] = x;//向上调整AdjustUp(php->arr, php->size);++php->size;}

test.c：

#include\"Heap.h\"void test01(){HP hp;HPInit(&hp);HPPush(&hp, 25);HPPush(&hp, 15);HPPush(&hp, 10);HPPush(&hp, 56);HPPush(&hp, 70);HPPush(&hp, 30);HPPrint(&hp);HPDesTroy(&hp);}int main(){test01();return 0;}

（9）判断是否为空

Heap.c：

bool HPEmpty(HP* php){assert(php);return php->size == 0;}

（10）出堆——数据删除

Heap.c：

void HPPop(HP* php){assert(!HPEmpty(php));Swap(&php->arr[0], &php->arr[php->size - 1]);--php->size;//堆顶数据需要向下调整AdjustDown(php->arr, 0, php->size);}

test.c：

#include\"Heap.h\"void test01(){HP hp;HPInit(&hp);HPPush(&hp, 25);HPPush(&hp, 15);HPPush(&hp, 10);HPPush(&hp, 56);HPPush(&hp, 70);HPPush(&hp, 30);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPDesTroy(&hp);}int main(){test01();return 0;}

先删除一次——

我们期望断言报错，事实上确实如此，那么出堆的代码就写好了。

（11）取堆顶元素

Heap.c：

HPDataType HPTop(HP* php){assert(!HPEmpty(php));return php->arr[0];}

test.c：

#include\"Heap.h\"void test01(){HP hp;HPInit(&hp);HPPush(&hp, 25);HPPush(&hp, 15);HPPush(&hp, 10);HPPush(&hp, 56);HPPush(&hp, 70);HPPush(&hp, 30);HPPrint(&hp);while (!HPEmpty(&hp)){int top = HPTop(&hp);printf(\"%d \", top);HPPop(&hp);}HPDesTroy(&hp);}int main(){test01();return 0;}

（12）循环判断堆为不为空

test.c：

while (!HPEmpty(&hp)){int top = HPTop(&hp);printf(\"%d \", top);HPPop(&hp);}

不断循环地判断堆顶为不为空，不为空，出堆顶——

2、完整代码

（1）Heap.h：

#pragma once#include#include#include#include//定义堆结构typedef int HPDataType;typedef struct Heap {HPDataType* arr;int size; //有效数据个数int capaicty;//空间大小}HP;void HPInit(HP* php);void HPDesTroy(HP* php);void HPPrint(HP* php);void Swap(int* x, int* y);//向下调整算法void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n);//向上调整算法void AdjustUp(HPDataType* arr, int child);void HPPush(HP* php, HPDataType x);void HPPop(HP* php);HPDataType HPTop(HP* php);bool HPEmpty(HP* php);

（2）Heap.c：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include\"Heap.h\"void HPInit(HP* php){assert(php);php->arr = NULL;php->size = php->capaicty = 0;}void HPDesTroy(HP* php){assert(php);if (php->arr)free(php->arr);php->arr = NULL;php->size = php->capaicty = 0;}void HPPrint(HP* php){for (int i = 0; i size; i++){printf(\"%d \", php->arr[i]);}printf(\"\\n\");}void Swap(int* x, int* y){int tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;}//向上调整算法void AdjustUp(HPDataType* arr, int child){int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0){//建大堆：>//建小堆: <if (arr[child] < arr[parent]){Swap(&arr[child], &arr[parent]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else {break;}}}//向下调整算法void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n){int child = parent * 2 + 1;while (child < n){//建大堆：if (child + 1  arr[child + 1]){child++;}//孩子和父亲比较//建大堆：>//建小堆:<if (arr[child] size == php->capaicty){//增容int newCapacity = php->capaicty == 0 ? 4 : 2 * php->capaicty;HPDataType* tmp = (HPDataType*)realloc(php->arr, newCapacity * sizeof(HPDataType));if (tmp == NULL){perror(\"realloc fail!\");exit(1);}php->arr = tmp;php->capaicty = newCapacity;}//空间足够php->arr[php->size] = x;//向上调整AdjustUp(php->arr, php->size);++php->size;}bool HPEmpty(HP* php){assert(php);return php->size == 0;}void HPPop(HP* php){assert(!HPEmpty(php));Swap(&php->arr[0], &php->arr[php->size - 1]);--php->size;//堆顶数据需要向下调整AdjustDown(php->arr, 0, php->size);}HPDataType HPTop(HP* php){assert(!HPEmpty(php));return php->arr[0];}

（3）test.c：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include\"Heap.h\"void test01(){HP hp;HPInit(&hp);HPPush(&hp, 25);HPPush(&hp, 15);HPPush(&hp, 10);HPPush(&hp, 56);HPPush(&hp, 70);HPPush(&hp, 30);HPPrint(&hp);while (!HPEmpty(&hp)){int top = HPTop(&hp);printf(\"%d \", top);HPPop(&hp);}//HPPop(&hp);//HPPrint(&hp);//HPPop(&hp);//HPPrint(&hp);//HPPop(&hp);//HPPrint(&hp);//HPPop(&hp);//HPPrint(&hp);//HPPop(&hp);//HPPrint(&hp);HPDesTroy(&hp);}int main(){test01();return 0;}

（三）堆的应用——“堆排序”、堆排序和冒泡排序的比较与实现

1、冒泡排序

冒泡排序是我们在C语言阶段就介绍过的排序方法——

test.c：

//冒泡排序void BubbleSort(int* arr, int n){for (int i = 0; i < n; i++){for (int j = 0; j  arr[j + 1]){Swap(&arr[j], &arr[j + 1]);}}}}int main(){//test01();int arr[6] = { 30,56,25,15,70,10 };printf(\"排序之前：\\n\");for (int i = 0; i < 6; i++){printf(\"%d \", arr[i]);}printf(\"\\n\");//HeapSort(arr, 6);BubbleSort(arr, 6);printf(\"排序之后：\\n\");for (int i = 0; i < 6; i++){printf(\"%d \", arr[i]);}printf(\"\\n\");return 0;}

2、“堆排序”

“堆排序“”——这不是实际的堆排序，调用了堆的结构。

test.c：

//堆排序----这不是实际的堆排序void HeapSort01(int* arr, int n){HP hp;//-----使用数据结构-堆HPInit(&hp);//调用push将数组中的数据放入到堆中for (int i = 0; i < n; i++){HPPush(&hp, arr[i]);}int i = 0;while (!HPEmpty(&hp)){int top = HPTop(&hp);arr[i++] = top;HPPop(&hp);}HPDesTroy(&hp);}

3、堆排序

这个才是堆排序————使用的是堆结构的思想，而不是调用堆的结构。

排升序——建大堆；

排降序——建小堆。

（1）降序

test.c：

//堆排序————使用的是堆结构的思想void HeapSort(int* arr, int n){//乱序数组————建堆for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){AdjustDown(arr, i, n);}int end = n - 1;while (end > 0){Swap(&arr[0], &arr[end]);AdjustDown(arr, 0, end);end--;}}int main(){//test01();int arr[6] = { 30,56,25,15,70,10 };printf(\"排序之前：\\n\");for (int i = 0; i < 6; i++){printf(\"%d \", arr[i]);}printf(\"\\n\");HeapSort(arr, 6);//BubbleSort(arr, 6);printf(\"排序之后：\\n\");for (int i = 0; i < 6; i++){printf(\"%d \", arr[i]);}printf(\"\\n\");return 0;}

这里我们打印出来结果是降序的——

（2）升序

也可以是升序的——

test.c：

//堆排序————使用的是堆结构的思想void HeapSort(int* arr, int n){//乱序数组————建堆for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){AdjustDown(arr, i, n);}int end = n - 1;while (end > 0){Swap(&arr[0], &arr[end]);AdjustDown(arr, 0, end);end--;}}int main(){//test01();int arr[6] = { 30,56,25,15,70,10 };printf(\"排序之前：\\n\");for (int i = 0; i = 0; i--){printf(\"%d \", arr[i]);}printf(\"\\n\");return 0;}

现在就是升序的了。

结尾

函数栈帧的创建与销毁相关博客的链接，博主已经放在正文前面了，有需要的友友自取。

往期回顾：

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解二叉树（一）

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解栈和队列（下）——队列

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解栈和队列（上）——栈

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解顺序表和链表（五）——双向链表

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解顺序表和链表（四）——单链表（下）

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解顺序表和链表（三）——单链表（上）

本期内容需要回顾的C语言知识如下面的截图中所示（指针博主写了6篇，列出来有水字数嫌疑了，就只放指针第六篇的网址，博主在指针（六）把指针部分的前五篇的网址都放在【往期回顾】了，点击【传送门】就可以看了）。

大家如果对前面部分的知识点印象不深，可以去上一篇文章的结尾部分看看，博主把需要回顾的知识点相关的博客的链接都放在上一篇文章了，上一篇文章的链接博主放在下面了：

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解顺序表和链表（三）——单链表（上）

结语：本篇文章到这里就结束了，对数据结构的二叉树知识感兴趣的友友们可以在评论区留言，博主创作时可能存在笔误，或者知识点不严谨的地方，大家多担待，如果大家在阅读的时候发现了行文有什么错误欢迎在评论区斧正，再次感谢友友们的关注和支持！

【数据结构与算法】数据结构初阶：详解二叉树（二）——堆

目录

正文

三、二叉树的顺序结构：堆

（一）堆——顺序结构

1、堆的概念

2、堆的性质

（二）堆结构各种方法的实现

1、各种方法的实现

（1）堆结构的定义

（2）初始化

（3）销毁

（4）打印

（5）交换——Swap方法

（6）向上调整算法

（7）向下调整算法

（8）入堆——数据插入

（9）判断是否为空

（10）出堆——数据删除

（11）取堆顶元素

（12）循环判断堆为不为空

2、完整代码

（1）Heap.h：

（2）Heap.c：

（3）test.c：

（三）堆的应用——“堆排序”、堆排序和冒泡排序的比较与实现

1、冒泡排序

2、“堆排序”

3、堆排序

（1）降序

（2）升序

结尾

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正文

三、二叉树的顺序结构：堆

（一）堆——顺序结构

1、堆的概念

2、堆的性质

（二）堆结构各种方法的实现

1、各种方法的实现

（1）堆结构的定义

（2）初始化

（3）销毁

（4）打印

（5）交换——Swap方法

（6）向上调整算法

（7）向下调整算法

（8）入堆——数据插入

（9） 判断是否为空

（10）出堆——数据删除

（11）取堆顶元素

（12）循环判断堆为不为空

2、完整代码

（1）Heap.h：

（2）Heap.c：

（3）test.c：

（三）堆的应用——“堆排序”、堆排序和冒泡排序的比较与实现

1、冒泡排序

2、“堆排序”

3、堆排序

（1）降序

（2）升序

结尾

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