堆和堆傻傻分不清？一文告诉你 Java 集合中「堆」的最佳打开方式
上一篇的 「Java 集合框架」里，還剩下一個大問題沒有說的，那就是 PriorityQueue，優先隊列，也就是堆，Heap。
什么是堆？
堆其實就是一種特殊的隊列——優先隊列。
普通的隊列游戲規則很簡單：就是先進先出；但這種優先隊列搞特殊，不是按照進隊列的時間順序，而是按照每個元素的優先級來比拼，優先級高的在堆頂。
這也很容易理解吧，比如各種軟件都有會員制度，某軟件用了會員就能加速下載的，不同等級的會員速度還不一樣，那就是優先級不同呀。
還有其實每個人回復微信消息也是默默的把消息放進堆里排個序：先回男朋友女朋友的，然后再回其他人的。
這里要區別于操作系統里的那個“堆”，這兩個雖然都叫堆，但是沒有半毛錢關系，都是借用了 Heap 這個英文單詞而已。
我們再來回顧一下「堆」在整個 Java 集合框架中的位置：
也就是說，
PriorityQueue 是一個類 (class)；
PriorityQueue 繼承自 Queue 這個接口 (Interface)；
那 heap 在哪呢？
heap 其實是一個抽象的數據結構，或者說是邏輯上的數據結構，并不是一個物理上真實存在的數據結構。
heap 其實有很多種實現方式，比如 binomial heap, Fibonacci heap 等等。但是面試最常考的，也是最經典的，就是 binary heap 二叉堆，也就是用一棵完全二叉樹來實現的。
那完全二叉樹是怎么實現的？
其實是用數組來實現的！
所以 binary heap/PriorityQueue 實際上是用數組來實現的。
這個數組的排列方式有點特別，因為它總會維護你定義的（或者默認的）優先級最高的元素在數組的首位，所以不是隨便一個數組都叫「堆」，實際上，它在你心里，應該是一棵「完全二叉樹」。
這棵完全二叉樹，只存在你心里和各大書本上；實際在在內存里，哪有什么樹？就是數組罷了。
那為什么完全二叉樹可以用數組來實現？是不是所有的樹都能用數組來實現？
這個就涉及完全二叉樹的性質了，我們下一篇會細講，簡單來說，因為完全二叉樹的定義要求了它在層序遍歷的時候沒有氣泡，也就是連續存儲的，所以可以用數組來存放；第二個問題當然是否。
堆的特點
堆是一棵完全二叉樹；
堆序性 (heap order): 任意節點都優于它的所有孩子。
a. 如果是任意節點都大于它的所有孩子，這樣的堆叫大頂堆，Max Heap;
b. 如果是任意節點都小于它的所有孩子，這樣的堆叫小頂堆，Min Heap;
左圖是小頂堆，可以看出對于每個節點來說，都是小于它的所有孩子的，注意是所有孩子，包括孫子，曾孫...
既然堆是用數組來實現的，那么我們可以找到每個節點和它的父母/孩子之間的關系，從而可以直接訪問到它們。
比如對于節點 3 來說，
它的 Index = 1，
它的 parent index = 0,
左孩子 left child index = 3,
右孩子 right child index = 4.
可以歸納出如下規律：
設當前節點的 index = x,
那么 parent index = (x-1)/2,
左孩子 left child index = 2*x + 1,
右孩子 right child index = 2*x + 2.
有些書上可能寫法稍有不同，是因為它們的數組是從 1 開始的，而我這里數組的下標是從 0 開始的，都是可以的。
這樣就可以從任意一個點，一步找到它的孫子、曾孫子，真的太方便了，在后文講具體操作時大家可以更深刻的體會到。
基本操作
任何一個數據結構，無非就是增刪改查四大類：
| 增 | offer(E e) | O(logn) |
| 刪 | poll() | O(logn) |
| 改 | 無直接的 API | 刪 + 增 |
| 查 | peek() | O(1) |
這里 peek() 的時間復雜度很好理解，因為堆的用途就是能夠快速的拿到一組數據里的最大/最小值，所以這一步的時間復雜度一定是 O(1) 的，這就是堆的意義所在。
那么我們具體來看 offer(E e) 和 poll() 的過程。
offer(E e)
比如我們新加一個 0 到剛才這個最小堆里面：
那很明顯，0 是要放在最上面的，可是，直接放上去就不是一棵完全二叉樹了啊。。
所以說，
我們先保證加了元素之后這棵樹還是一棵完全二叉樹，
然后再通過 swap 的方式進行微調，來滿足堆序性。
這樣就保證滿足了堆的兩個特點，也就是保證了加入新元素之后它還是個堆。
那具體怎么做呢：
Step 1.
先把 0 放在最后接上，別一上來就想著上位；
OK！總算先上岸了，然后我們再一步步往上走。
這里「能否往上走」的標準在于：
是否滿足堆序性。
也就是說，現在 5 和 0 之間不滿足堆序性，那么交換位置，換到直到滿足堆序性為止。
這里對于最小堆來說的堆序性，就是小的數要在上面。
Step 2. 與 5 交換
此時 0 和 3 不滿足堆序性了，那么再交換。
Step 3. 與 3 交換
還不行，0 還比 1 小，所以繼續換。
Step 4. 與 1 交換
OK！這樣就換好了，一個新的堆誕生了～
總結一下這個方法：
先把新元素加入數組的末尾，再通過不斷比較與 parent 的值的大小，決定是否交換，直到滿足堆序性為止。
這個過程就是 siftUp()，源碼如下：
時間復雜度
這里不難發現，其實我們只交換了一條支路上的元素，
也就是最多交換 O(height) 次。
那么對于完全二叉樹來說，除了最后一層都是滿的，O(height) = O(logn)。
所以 offer(E e) 的時間復雜度就是 O(logn) 啦。
poll()
poll() 就是把最頂端的元素拿走。
對了，沒有辦法拿走中間的元素，畢竟要 VIP 先出去，小弟才能出去。
那么最頂端元素拿走后，這個位置就空了：
我們還是先來滿足堆序性，因為比較容易滿足嘛，直接從最后面拿一個來補上就好了，先放個傀儡上來。
Step1. 末尾元素上位
這樣一來，堆序性又不滿足了，開始交換元素。
那 8 比 7 和 3 都大，應該和誰交換呢？
假設與 7 交換，那么 7 還是比 3 大，還得 7 和 3 換，麻煩。
所以是與左右孩子中較小的那個交換。
Step 2. 與 3 交換
下去之后，還比 5 和 4 大，那再和 4 換一下。
Step 3. 與 4 交換
OK！這樣這棵樹總算是穩定了。
總結一下這個方法：
先把數組的末位元素加到頂端，再通過不斷比較與左右孩子的值的大小，決定是否交換，直到滿足堆序性為止。
這個過程就是 siftDown()，源碼如下：
時間復雜度
同樣道理，也只交換了一條支路上的元素，也就是最多交換 O(height) 次。
所以 offer(E e) 的時間復雜度就是 O(logn) 啦。
heapify()
還有一個大名鼎鼎的非常重要的操作，就是 heapify() 了，它是一個很神奇的操作，
可以用 O(n) 的時間把一個亂序的數組變成一個 heap。
但是呢，heapify() 并不是一個 public API，看：
所以我們沒有辦法直接使用。
唯一使用 heapify() 的方式呢，就是使用PriorityQueue(Collection<? extends E> c)
這個 constructor 的時候，人家會自動調用 heapify() 這個操作。
那具體是怎么做的呢？
哈哈源碼已經暴露了：
從最后一個非葉子節點開始，從后往前做 siftDown().
因為葉子節點沒必要操作嘛，已經到了最下面了，還能和誰 swap？
舉個例子：
我們想把這個數組進行 heapify() 操作，想把它變成一個最小堆，拿到它的最小值。
那就要從 3 開始，對 3，7，5進行 siftDown().
Step 1.
尷尬 ????，3 并不用交換，因為以它為頂點的這棵小樹已經滿足了堆序性。
Step 2.
7 比它的兩個孩子都要大，所以和較小的那個交換一下。
交換完成后；
Step 3.
最后一個要處理的就是 5 了，那這里 5 比它的兩個孩子都要大，所以也和較小的那個交換一下。
換完之后結果如下，注意并沒有滿足堆序性，因為 4 還比 5 小呢。
所以接著和 4 換，結果如下：
這樣整個 heapify() 的過程就完成了。
好了難點來了，為什么時間復雜度是 O(n) 的呢？
怎么計算這個時間復雜度呢？
其實我們在這個過程里做的操作無非就是交換交換。
那到底交換了多少次呢？
沒錯，交換了多少次，時間復雜度就是多少。
那我們可以看出來，其實同一層的節點最多交換的次數都是相同的。
那么這個總的交換次數 = 每層的節點數 * 每個節點最多交換的次數
這里設 k 為層數，那么這個例子里 k=3.
每層的節點數是從上到下以指數增長：
每個節點交換的次數，
從下往上就是：
那么總的交換次數 S(k) 就是兩者相乘再相加：
這是一個等比等差數列，標準的求和方式就是錯位相減法。
那么
兩者相減得：
化簡一下：
（不好意思我實在受不了這個編輯器了。。。
所以 heapify() 時間復雜度是 O(n).
以上就是堆的三大重要操作，最后一個 heapify() 雖然不能直接操作，但是堆排序中用到了這種思路，之前的「選擇排序」那篇文章里也提到了一些，感興趣的同學可以后臺回復「選擇排序」獲得文章～至于堆排序的具體實現和應用，以及為什么實際生產中并不愛用它，我們之后再講。
最后再說一點題外話，最近發現了幾篇搬運我的文章到其他平臺的現象。每篇文章都是我精心打造的，都是自己的心肝寶貝，看到別人直接搬運過去也沒有標明作者和來源出處實在是太難受了。。為了最好的閱讀體驗，文中的圖片我都沒有加水印，但這也方便了他人搬運。今天考慮再三，還是不想違背自己的本意，畢竟我的讀者更為重要。
所以如果之后有小伙伴看到了，懇請大家后臺或者微信告訴我一下呀，非常感謝！
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的堆和堆傻傻分不清？一文告诉你 Java 集合中「堆」的最佳打开方式的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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