Kopiec (kopiec binarny)
Ostatnia aktualizacja
Kopiec binarny to zupełne drzewo binarne, które trzyma najmniejszą (kopiec min) lub największą (kopiec max) wartość w korzeniu. Ta wizualizacja pokazuje kopiec min: każdy rodzic jest mniejszy lub równy swoim dzieciom. Aby dodać wartość, dopisujesz ją w następnym wolnym miejscu, a potem "przesiewasz ją w górę", zamieniając z rodzicem, dopóki jest od niego mniejsza, aż własność kopca znów będzie spełniona. Kliknij odtwarzanie powyżej i zobacz, jak każda nowa wartość wypływa na swoje miejsce.
Ponieważ kopiec jest drzewem zupełnym, przechowuje się go zwięźle w tablicy: dzieci węzła i są pod indeksami 2i+1 i 2i+2. Wstawianie i usuwanie minimum kosztują O(log n) (jedna ścieżka od korzenia do liścia), a podgląd minimum O(1), czyli dokładnie to, czego potrzebuje kolejka priorytetowa.
Złożoność czasowa i pamięciowa
| Operacja | Złożoność | Uwagi |
|---|---|---|
| Podgląd min/max | O(1) | To zawsze korzeń |
| Wstawianie (push) | O(log n) | Przesiewanie w górę jednej ścieżki |
| Usuwanie min/max | O(log n) | Przesiewanie w dół jednej ścieżki |
| Budowa kopca | O(n) | Kopcowanie wszystkiego naraz |
| Pamięć | O(n) | Oparty na tablicy, bez wskaźników |
Krok po kroku (push)
| Krok | Co się dzieje |
|---|---|
| 1 | Dopisz nową wartość na końcu (następny wolny liść). |
| 2 | Porównaj ją z rodzicem. |
| 3 | Jeśli jest mniejsza (kopiec min), zamień ją w górę. |
| 4 | Powtarzaj, dopóki nie przestanie być mniejsza od rodzica albo nie dotrze do korzenia. |
Przykład krok po kroku
Budowanie kopca min przez dodawanie [5, 3, 8, 1, 4] po jednej wartości:
| Push | Tablica po przesianiu w górę | Działanie |
|---|---|---|
5 | [5] | Pierwsza wartość zostaje korzeniem. |
3 | [3, 5] | 3 < rodzic 5, więc zamień ją w górę do korzenia. |
8 | [3, 5, 8] | 8 > rodzic 5, więc zostaje liściem. |
1 | [1, 3, 8, 5] | 1 < rodzic 5, zamiana; potem 1 < rodzic 3, zamiana aż do korzenia. |
4 | [1, 3, 8, 5, 4] | 4 > rodzic 3, więc zostaje; minimum 1 pozostaje w korzeniu. |
Kiedy używać kopca
| Używaj, gdy | Unikaj, gdy |
|---|---|
| Wielokrotnie potrzebujesz najmniejszego lub największego elementu ze zmieniającego się zbioru. | Musisz wyszukiwać dowolne wartości, a nie tylko skrajne: użyj drzewa BST lub zbioru haszującego. |
| Implementujesz kolejkę priorytetową dla algorytmu Dijkstry, A* lub planisty zadań. | Potrzebujesz danych przez cały czas w pełni posortowanych. |
Chcesz wstawiania i usuwania minimum w O(log n) przy zwięzłym układzie w tablicy. | Potrzebujesz szybkiego wyszukiwania lub usuwania konkretnego elementu (innego niż korzeń). |
| Musisz scalać strumień elementów i wyciągać je według priorytetu. | Zbiór danych jest malutki, a liniowe przeglądanie jest prostsze i wystarczająco szybkie. |
Heap (Priority Queue): kod
Przejrzysta, gotowa do uruchomienia implementacja algorytmu Heap (Priority Queue) w językach: Python, JavaScript, Java, C++, C. Wybierz język, skopiuj kod albo otwórz go od razu w edytorze online Coddy.
Heap (Priority Queue): kod (Python)
1class MinHeap:2 def __init__(self):3 self.data = []4
5 def push(self, value):6 # Append at the end, then bubble up to restore order7 self.data.append(value)8 i = len(self.data) - 19 while i > 0:10 parent = (i - 1) // 211 if self.data[parent] <= self.data[i]:12 break13 self.data[i], self.data[parent] = self.data[parent], self.data[i]14 i = parent15
16 def pop(self):17 # Move the last leaf to the root, then sift it down18 top = self.data[0]19 last = self.data.pop()20 if self.data:21 self.data[0] = last22 self._sift_down(0)23 return top24
25 def _sift_down(self, i):26 n = len(self.data)27 while True:28 smallest = i29 left, right = 2 * i + 1, 2 * i + 230 if left < n and self.data[left] < self.data[smallest]:31 smallest = left32 if right < n and self.data[right] < self.data[smallest]:33 smallest = right34 if smallest == i:35 return36 self.data[i], self.data[smallest] = self.data[smallest], self.data[i]37 i = smallest38
39
40heap = MinHeap()41for value in [5, 3, 8, 1, 9, 2]:42 heap.push(value)43
44print("Heap array: ", heap.data)45print("Popped in order:", [heap.pop() for _ in range(6)])Heap (Priority Queue): kod (JavaScript)
1class MinHeap {2 constructor() {3 this.items = [];4 }5
6 push(value) {7 this.items.push(value);8 // Bubble the new value up while it is smaller than its parent9 let i = this.items.length - 1;10 while (i > 0) {11 const parent = Math.floor((i - 1) / 2);12 if (this.items[parent] <= this.items[i]) break;13 [this.items[parent], this.items[i]] = [this.items[i], this.items[parent]];14 i = parent;15 }16 }17
18 pop() {19 const top = this.items[0];20 const last = this.items.pop();21 if (this.items.length > 0) {22 this.items[0] = last;23 this.sinkDown(0);24 }25 return top;26 }27
28 sinkDown(i) {29 const n = this.items.length;30 while (true) {31 let smallest = i;32 const left = 2 * i + 1;33 const right = 2 * i + 2;34 if (left < n && this.items[left] < this.items[smallest]) smallest = left;35 if (right < n && this.items[right] < this.items[smallest]) smallest = right;36 if (smallest === i) return;37 [this.items[i], this.items[smallest]] = [this.items[smallest], this.items[i]];38 i = smallest;39 }40 }41}42
43const heap = new MinHeap();44for (const value of [5, 2, 9, 1, 7, 3]) heap.push(value);45const sorted = [];46while (heap.items.length > 0) sorted.push(heap.pop());47console.log("Popped in order:", sorted.join(" "));Heap (Priority Queue): kod (Java)
1public class Main {2 static int[] heap = new int[32];3 static int size = 0;4
5 static void push(int value) {6 heap[size] = value;7 int i = size++;8 // Sift up while smaller than the parent9 while (i > 0 && heap[(i - 1) / 2] > heap[i]) {10 swap(i, (i - 1) / 2);11 i = (i - 1) / 2;12 }13 }14
15 static int pop() {16 int min = heap[0];17 heap[0] = heap[--size];18 int i = 0;19 // Sift down: swap with the smaller child until in place20 while (true) {21 int smallest = i, l = 2 * i + 1, r = 2 * i + 2;22 if (l < size && heap[l] < heap[smallest]) smallest = l;23 if (r < size && heap[r] < heap[smallest]) smallest = r;24 if (smallest == i) break;25 swap(i, smallest);26 i = smallest;27 }28 return min;29 }30
31 static void swap(int a, int b) {32 int tmp = heap[a];33 heap[a] = heap[b];34 heap[b] = tmp;35 }36
37 public static void main(String[] args) {38 int[] values = {9, 4, 7, 1, 8, 2};39 for (int v : values) push(v);40 System.out.print("Popped in order:");41 while (size > 0) System.out.print(" " + pop());42 System.out.println();43 }44}Heap (Priority Queue): kod (C++)
1#include <iostream>2#include <utility>3#include <vector>4
5struct MinHeap {6 std::vector<int> data;7
8 void push(int value) {9 data.push_back(value);10 // Sift up until the parent is no larger11 size_t i = data.size() - 1;12 while (i > 0) {13 size_t parent = (i - 1) / 2;14 if (data[parent] <= data[i]) break;15 std::swap(data[parent], data[i]);16 i = parent;17 }18 }19
20 int pop() {21 int top = data[0];22 data[0] = data.back();23 data.pop_back();24 // Sift down: swap with the smaller child25 size_t i = 0;26 while (true) {27 size_t l = 2 * i + 1, r = 2 * i + 2, smallest = i;28 if (l < data.size() && data[l] < data[smallest]) smallest = l;29 if (r < data.size() && data[r] < data[smallest]) smallest = r;30 if (smallest == i) break;31 std::swap(data[i], data[smallest]);32 i = smallest;33 }34 return top;35 }36
37 int peek() const { return data[0]; }38 bool empty() const { return data.empty(); }39};40
41int main() {42 MinHeap heap;43 for (int value : {5, 3, 8, 1, 9, 2}) heap.push(value);44 std::cout << "Min: " << heap.peek() << "\n";45 std::cout << "Popped in order: ";46 while (!heap.empty()) std::cout << heap.pop() << " ";47 std::cout << "\n";48 return 0;49}Heap (Priority Queue): kod (C)
1#include <stdio.h>2
3#define CAP 644
5int heap[CAP];6int heapSize = 0;7
8void push(int value) {9 // Sift up until the parent is no larger10 int i = heapSize++;11 heap[i] = value;12 while (i > 0) {13 int parent = (i - 1) / 2;14 if (heap[parent] <= heap[i]) break;15 int tmp = heap[parent];16 heap[parent] = heap[i];17 heap[i] = tmp;18 i = parent;19 }20}21
22int pop(void) {23 int top = heap[0];24 heap[0] = heap[--heapSize];25 // Sift down: swap with the smaller child26 int i = 0;27 while (1) {28 int l = 2 * i + 1, r = 2 * i + 2, smallest = i;29 if (l < heapSize && heap[l] < heap[smallest]) smallest = l;30 if (r < heapSize && heap[r] < heap[smallest]) smallest = r;31 if (smallest == i) break;32 int tmp = heap[i];33 heap[i] = heap[smallest];34 heap[smallest] = tmp;35 i = smallest;36 }37 return top;38}39
40int main(void) {41 int values[] = {5, 3, 8, 1, 9, 2};42 for (int i = 0; i < 6; i++) push(values[i]);43 printf("Min: %d\n", heap[0]);44 printf("Popped in order: ");45 while (heapSize > 0) printf("%d ", pop());46 printf("\n");47 return 0;48}Kopiec: najczęstsze pytania
Do czego służy kopiec?
Czym różni się kopiec od binarnego drzewa poszukiwań?
Dlaczego kopiec przechowuje się w tablicy?
i są pod 2i+1 i 2i+2, a rodzic pod (i-1)/2. Dzięki temu nie trzeba przechowywać wskaźników na dzieci, a wydajność pamięci podręcznej jest świetna.Czy kopiec to to samo co posortowana tablica?
O(n), a kopiec wstawia w O(log n) i nadal daje natychmiastowy dostęp do wartości skrajnej.Kiedy użyć kopca zamiast po prostu posortować tablicę?
O(log n), zamiast ponownego sortowania całej tablicy. Jeśli zbiór danych jest statyczny i chcesz mieć wszystkie elementy w kolejności, jedno sortowanie O(n log n) jest prostsze i często szybsze.Czy zbudowanie kopca z n elementów zajmuje O(n log n)?
n elementów po kolei kosztuje O(n log n), ale oddolne heapify, które przesiewa w dół od ostatniego rodzica do korzenia, działa łącznie w O(n), bo większość węzłów leży blisko dołu i przesiewa się tylko na krótką odległość.