前端leetcde算法之--堆

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发布于 2022-12-19 01:12:15

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正文 plus

堆是动态求极值的数据结构，所以当遇到需要不断取极值的时候，就可以考虑用堆了

温馨提示，建议每一道题都自己 new 一个堆，这样才能发现堆之美，其实就是不会再次遇到 topK 的时候只能用冒泡来做。

行文至此也该结束了，如果有 10 个关注，那就更新一下下一 part， dp 或者树吧， thx。

二叉堆的创建

分析 -- 小顶堆

这里是一个小顶堆，特点就是根节点的值比子节点的值都小，通常用作经典的前 K 大
主要有两个方法，
- 一个是上升，这里主要用作构建堆的时候，整理堆用的
- 一个是下沉，这里主要用于弹出堆顶元素后，置换了堆顶值之后使用的，这里用到 this.data0，是因为这个方法一般是构建完整的堆之后，才会使用
其他的方法不是不可以，只是为了保证灵活性，暂时就先做个简易版，后面再考虑，因为方法越多，其实兼容性就越差了

class MinHeap {
    constructor(len) {
      this.data = [];
      this.data[0] = len; // 第一个节点用来存放堆的大小 -- 某些特定环境比较好用
    }

    // 下浮
    down(index) {
      const size = this.data[0];
      while (index << 1 <= size) {
        let child = index << 1;

        if (child !== size && this.data[child] > this.data[child + 1]) {
          child += 1; //如果右节点更小，就右节点作为下一个接盘的节点
        }
        if (this.data[index] > this.data[child]) {
          //   交换一下
          [this.data[index], this.data[child]] = [
            this.data[child],
            this.data[index],
          ];
          index = child;
        } else {
          //   只要其中一次失效了，那么就没必要继续往下查找了
          break;
        }
      }
    }

    // 都是从最底层开始算的
    upper() {
      // 这里不用 this.data[0] 是因为当前构建的堆可能还没达到堆的最大值，所以不能使用  
      let index = this.data.length - 1;
      while (index >> 1 > 0) {
        let father = index >> 1;
        if (this.data[index] < this.data[father]) {
          // 子节点比父节点要小，则网上走
          [this.data[index], this.data[father]] = [
            this.data[father],
            this.data[index],
          ];
          index = father;
        } else {
          break;
        }
      }
    }
  }

分析 -- 大顶堆

相对于初始版的小顶堆，这一版的大顶堆添加了两个方法， pop 和 add
add 方法可以写在使用堆的位置，但是为了让它和堆的第一个值匹配，所以写在了类方法里面，方便对 size 的添加
pop 是为了取出堆顶元素，堆是为了解决动态取极值而存在的数据结构，所以必然要取出整理的过程。

class MaxHeap {
  constructor() {
    this.data = [];
    this.data[0] = 0; // 第一个值是当前堆的size
  }

  down(index) {
    const len = this.data.length; // 是下标极限
    while (index << 1 < len) {
      let child = index << 1;
      if (child !== len && this.data[child + 1] > this.data[child]) {
        child++;
      }
      if (this.data[child] > this.data[index]) {
        [this.data[child], this.data[index]] = [
          this.data[index],
          this.data[child],
        ];
        index = child;
      } else {
        break;
      }
    }
  }

  upper() {
    let index = this.data[0]; // 最大下标
    while (index >> 1 > 0) {
      const father = index >> 1;
      if (this.data[index] > this.data[father]) {
        [this.data[father], this.data[index]] = [
          this.data[index],
          this.data[father],
        ];
        index = father;
      } else {
        break;
      }
    }
  }

  add(value) {
    // 先加在最末尾
    this.data.push(value);
    this.data[0]++; // size 也加一下
    this.upper(); // 整理一下
  }

  // 弹出堆顶元素
  pop() {
    const last = this.data[0];
    [this.data[1], this.data[last]] = [this.data[last], this.data[1]]; //交换堆顶和堆尾的值
    const ret = this.data.pop();
    this.data[0]--;
    this.down(1); // 整理
    return ret;
  }
}

参考视频：传送门

215. 数组中的第K个最大元素

分析

这是一道炒鸡经典的题，可以用冒泡，快排，其中最经典的方法，莫过于小顶堆求值 -- 作为教材基本的题目
这里求第 K 大，那么就是要维护一个 K 大的小顶堆，然后堆顶就是第 K 大
然后遍历数组 nums，先初始化一个 K 大的小顶堆，然后剩下的值就和堆顶比较；
只要是值大过堆顶值的，那么直接把堆顶值替换掉，但这时，堆顶值就不一定是小顶堆中的最小值了，所以需要向下 down 整理一下小顶堆
遍历结束后就得到一个小顶堆了，然后直接去堆顶元素就是第 K 大了；
时间复杂度: {O(N*L) -- 其中 N 是数组大小， L 是二叉堆的层高，L其实相对来说比较小，所以复杂度可以说接近线性
空间复杂度: O(M) -- 其中 M 是就是 K 值，因为要维护一个 K 大堆

// 215. 数组中的第K个最大元素

// MinHeap 就是上面的那个类

var findKthLargest = function (nums, k) {
    // 创建一个 K 大的小顶堆
    const minHeap = new MinHeap(k);
    const len = nums.length;
    for (let i = 0; i < len; i++) {
      if (i < k) {
        // 初始化堆
        minHeap.data.push(nums[i]);
        minHeap.upper();
      } else {
        // 这个时候开始考虑是否要压到小顶堆中了
        // 因为维护的是一个 k 大的小顶堆，而目的是求第 k 大，所以只需要判断后面的值是否大于小顶堆的堆顶值，即可晓得是否需要取代
        if (nums[i] > minHeap.data[1]) {
          minHeap.data[1] = nums[i];
          minHeap.down(1);
        }
      }
    }
    return minHeap.data[1]
  };

1046. 最后一块石头的重量

分析 -- 大顶堆

按照题目已经，需要取出一组数组中的最大值和次大值，进行一定运算后，会将计算值返回给数组，然后循环操作，直到数组长度最大为 1 时结束
所以就是动态取极值，可以考虑用堆来处理
定义一个方法 pop，每次获取堆顶元素，并将大顶堆整理好，定义方法 add 为为堆加入元素
这样每一次取出两个元素，返回 1 或 0 个元素，一直到堆元素小于 2 时结束，返回堆中的元素或 0
空间复杂度就是维护堆，所以是 O(N), 时间复杂度 O(NlogN)

// 1046. 最后一块石头的重量

var lastStoneWeight = function (stones) {
    // 维护一个大顶堆
    const heap = new MaxHeap();
    for (let i = 0; i < stones.length; i++) {
      heap.add(stones[i]);
    }

    while (heap.data[0] > 1) {
      // 1. 每次取出两个最大值
      const first = heap.pop();
      const second = heap.pop();
      // 2. 相减，再放回去
      const temp = first - second;
      if (temp) {
        heap.add(temp);
      }
    }
     return heap.data[0] ? heap.data[1]:0
  };

  class MaxHeap {
    constructor() {
      this.data = [];
      this.data[0] = 0; // 第一个值是当前堆的size
    }

    down(index) {
      const len = this.data.length; // 是下标极限
      while (index << 1 < len) {
        let child = index << 1;
        if (child !== len && this.data[child + 1] > this.data[child]) {
          child++;
        }
        if (this.data[child] > this.data[index]) {
          [this.data[child], this.data[index]] = [
            this.data[index],
            this.data[child],
          ];
          index = child;
        } else {
          break;
        }
      }
    }

    upper() {
      let index = this.data[0]; // 最大下标
      while (index >> 1 > 0) {
        const father = index >> 1;
        if (this.data[index] > this.data[father]) {
          [this.data[father], this.data[index]] = [
            this.data[index],
            this.data[father],
          ];
          index = father;
        } else {
          break;
        }
      }
    }

    add(value) {
      // 先加在最末尾
      this.data.push(value);
      this.data[0]++; // size 也加一下
      this.upper(); // 整理一下
    }

    // 弹出堆顶元素
    pop() {
        const last = this.data[0];
      [this.data[1], this.data[last]] = [
        this.data[last],
        this.data[1],
      ] //交换堆顶和堆尾的值
      const ret = this.data.pop();
      this.data[0]--;
      this.down(1); // 整理
      return ret
    }
  }

23. 合并K个升序链表

分析 -- 堆

这里主要是把链表当成是堆的一个元素，以链表头的值作为小顶堆创建的基点
这里要求得到是 K 个升序链表合并链表，我每次都获取 K 个链表中的最小值，然后放到我自己的链表中，最后得到的就是一个合并完的升序链表了
空间复杂度就是维护堆，所以是 O(N∗M), 其中 N 是 lists 的长度， M 是链表的平均长度
时间复杂度: 取出值合并到新链表 -- O(N∗M)

// 23. 合并K个升序链表

/** * @分析 * 1. 以链表的表头值作为判断元素，创建小顶堆 */
 var mergeKLists = function(lists) {
    let emptyNode  = new ListNode() // 自己创建一个
    // 构建一个堆
    const minHeap = new MinHeap()
    for (let i = 0; i < lists.length; i++) {
        const head = lists[i];
        if(head){
            minHeap.add(head)
        }
    }
    let cur = emptyNode;
    while(minHeap.data[0]){
        cur.next =new ListNode(minHeap.pop()) 
        cur = cur.next
    }
    return emptyNode.next
};

class MinHeap {
    constructor(){
        this.data = []
        this.data[0] = 0
    }

    down(index){
        const lastIndex = this.data[0]
        while(index<<1 <= lastIndex){
            let child = index<<1
            if(child!== lastIndex && this.data[child+1].val<this.data[child].val){
                child++
            }
            if(this.data[child].val<this.data[index].val){
                [this.data[child],this.data[index]] = [this.data[index],this.data[child]]
                index = child
            }else{
                break
            }
        }
    }

    upper(){
        let index = this.data[0]
        while(index>>1 > 0){
            let father = index>>1
            // 以表头值作为判断依据
            if(this.data[father].val>this.data[index].val){
                // 交换的是整个链表
                [this.data[father],this.data[index]] = [this.data[index],this.data[father]]
                index = father
            }else{
                break
            }
        }
    }

    add(head){
        // 添加的是一个排好序的链表，
        this.data.push(head);
        this.data[0]++
        this.upper()
    }

    // 将堆顶链表的头部值取出之后，重新整理
    pop(){
        const ret = this.data[1].val
        this.data[1] = this.data[1].next
        if(!this.data[1]){
            // 链表为 undefined 了
            [this.data[1],this.data[this.data[0]]] = [this.data[this.data[0]],this.data[1]]
            this.data.pop()
            this.data[0]--
        }
        this.down(1) //整理
        return ret // 返回的是一个值
    }
}

分析 -- 分治

多个排序链表很难处理，那么两个排序好的链表合并呢？
将两个有序链表合成一个，然后放进 list 继续走，最后合成一个即可
用分治，如果超出 2 个链表，就拆分了处理，mergeKLists(arr) 最后得到的也是一个排序好的链表，所以每次可以分开治，然后最后 merge 治；
合并两个链表的时间复杂度 O(N)，分治处理 M 个链表的复杂度为 O(logM) 所以 O(NlogM) ，其中 N 是链表的长度， M 是链表的数量

/** * @分析 * 1. 多个排序链表很难处理，那么两个排序好的链表合并呢？ * 2. 将两个有序链表合成一个，然后放进 list 继续走，最后合成一个即可 * 3. 用分治，如果超出 2 个链表，就拆分了处理，mergeKLists(arr) 最后得到的也是一个排序好的链表，所以每次可以分开治，然后最后 merge 治； * 4. 合并两个链表的时间复杂度 ${O(N)}$，分治处理 M 个链表的复杂度为 ${O(logM)}$ 所以 ${O(NlogM)}$ ， 其中 N 是链表的长度， M 是链表的数量 */
 var mergeKLists = function(lists) {
     const len  =lists.length
     // return lists.reduce((prev,cur) => mergeTwoList(prev,cur)) // 直接 api 递推即可，但是复杂度更高
    // 用分治的方式可以将 N 的复杂度降低到 logN
    if(len<1) return null
    if(len === 1) return lists[0]
    if(len === 2) return mergeTwoList(lists[0],lists[1])
    const mid = len>>1
    return mergeTwoList(mergeKLists(lists.slice(0,mid)),mergeKLists(lists.slice(mid)))

};

// 合并两个有序链表
function mergeTwoList (list1,list2){
    const emptyNode = new ListNode()
    let cur =emptyNode
    while(list1 && list2){
        if(list1.val<list2.val){
            cur.next= list1
            list1 = list1.next
        }else{
            cur.next= list2
            list2 = list2.next
        }
        cur = cur.next 
        cur.next = null
    }
    if(list1) cur.next = list1
    if(list2) cur.next = list2
    return emptyNode.next
}

451. 根据字符出现频率排序

分析

既然是要按照出现评率进行新组装，所以先遍历一次字符串，用 map 将字符和出现频率作为一组 item 保存起来 -- 时间空间复杂度都是 O(N)
这个时候其实只要按照频率从到到小排列好，然后一一取出重装即可
这边是用堆排序,但是item 不再是简单的数字，而是一个数组 key,value，所以相应的方法微调即可
堆排是时间复杂度:O(NlogN), 最终的空间复杂度是 O(N)

// 451. 根据字符出现频率排序

var frequencySort = function (s) {
    let ret = "";
    if (!s) return s;
    const map = new Map();
    const heap = new MaxHeap();
    for (let i = 0; i < s.length; i++) {
      const item = s[i];
      if (map.has(item)) {
        map.set(item, map.get(item) + 1);
      } else {
        map.set(item, 1);
      }
    }
    // 加入堆中，元素值是 [key,value], 要用 value 来进行比对
    for (let item of map.entries()) {
      heap.add(item);
    }
    while (heap.data[0]) {
      const item = heap.pop();
      ret += item[0].repeat(item[1]);
    }
    return ret;
  };

  class MaxHeap {
    constructor() {
      this.data = [];
      this.data[0] = 0;
    }

    down(index) {
      const lastIndex = this.data[0]; //最后一个值的下标值
      while (index << 1 <= lastIndex) {
        let child = index << 1;
        if (
          child !== lastIndex &&
          this.data[child + 1][1] > this.data[child][1]
        ) {
          child++;
        }
        if (this.data[child][1] > this.data[index][1]) {
          // 注意，item 是数组，所以用第二个值做比对，但是交换的是整个 item
          [this.data[child], this.data[index]] = [
            this.data[index],
            this.data[child],
          ];
          index = child;
        } else {
          break;
        }
      }
    }

    upper() {
      let index = this.data[0];
      while (index >> 1 > 0) {
        const father = index >> 1;
        if (this.data[father][1] < this.data[index][1]) {
          // 注意，item 是数组，所以用第二个值做比对，但是交换的是整个 item
          [this.data[father], this.data[index]] = [
            this.data[index],
            this.data[father],
          ];
          index = father;
        } else {
          break;
        }
      }
    }

    add(item) {
      this.data.push(item);
      this.data[0]++;
      this.upper();
    }

    pop() {
      [this.data[1], this.data[this.data[0]]] = [
        this.data[this.data[0]],
        this.data[1],
      ];
      this.data[0]--;
      const temp = this.data.pop();
      this.down(1)
      return temp
    }
  }

378. 有序矩阵中第 K 小的元素

分析

这里就是 item 为数组的 bottomK，和正常的 top K 只是多了以数组作为元素的处理
使用堆排的时候，只需要整理函数 down 和 upper 比对的时候弄一下就好了
不过有一个区别就是，这个 K 有可能大于二维数组的数组长度 Len(matrix), 所以不能直接创建一个 K 大大顶堆取堆顶，反而要将二维数组所有元素都编入到 Len 大小的小顶堆中，然后再取 K 次
这也说明了 top K 这类题的两种堆解法，要不就是设置 K 大/小的堆，然后不断用元素去替代，要不设置全部元素的堆，然后弹出 K 次值；
时间/空间复杂度 O(NlogN)

// 378. 有序矩阵中第 K 小的元素

/** * @分析 -- 第 K 小 * 1. 这里给的排好序的矩阵，那么可以用小顶堆将矩阵中元素转移到小顶堆中，每次从堆顶取值后整理，取到第 K 个即可 */
var kthSmallest = function(matrix, k) {
    const minHeap = new MinHeap()
    for(let i = 0;i<matrix.length;i++){
        minHeap.add(matrix[i])
    }
    const ret = []
    while(--k){
        minHeap.pop()
    }
    return minHeap.pop()

};

class MinHeap {
    constructor(){
        this.data = []
        this.data[0] = 0
    }

    down(index){
        const lastIndex = this.data[0]
        while(index<<1 <= lastIndex){
            let child = index << 1
            if(child!==lastIndex && this.data[child+1][0]< this.data[child][0]){
                child++
            }
            if(this.data[child][0]< this.data[index][0]){
                [this.data[child], this.data[index]] = [this.data[index], this.data[child]]
                index = child
            }else {
                break
            }
        }
    }

    upper() {
        let index = this.data[0]
        while(index >>1 > 0){
            let father = index >> 1 
            if(this.data[father][0]> this.data[index][0]){
                [this.data[father], this.data[index]] = [this.data[index], this.data[father]]
                index = father
            }else {
                break
            }
        }
    }

    add(item){
        this.data.push(item)
        this.data[0]++
        this.upper()
    }

    // 这里不是直接弹出 item，而只是弹出堆顶的第一个字母，然后再整理
    pop(){
        const temp = this.data[1].shift()
        if(!this.data[1].length){
             // 数组空了
             this.data[1] = this.data[this.data[0]]
             this.data.pop()
             this.data[0]--
        }
        this.down(1)
        return temp
    }
}

const ret = kthSmallest([[1,5,9],[10,11,13],[12,13,15]],8)
console.log(ret)

1054. 距离相等的条形码

分析

为了保证两两不相等，那得保证数量最多的那个条码必须先排完，防止排完其他就省它自个儿了；
所以先用 map 存储所有条码值(key)和数量(value)
这个时候就和1046. 最后一块石头的重量很像了;
但是还有一点区别，就是每次你取出最大的两块，都只能取走一份进行排列，然后就要把剩下的放回去，保证每一次取两个值都是最大；这就好比，我们这道题是去磨石头，每次相互之间磨掉一层皮，每一次都要拿最后的石头去磨，而1046. 最后一块石头的重量是直接两个一砸就结束了；
map 存储时，时间复杂度和空间复杂度都是 O(N), N 是长度；堆排，这个算不出来了，大概也是 O(NlogN) 吧

// 1054. 距离相等的条形码

var rearrangeBarcodes = function (barcodes) {
  // 1. 将条形码的值和数量用 map 存储起来
  const map = new Map();
  for (let i = 0; i < barcodes.length; i++) {
    const item = barcodes[i];
    if (map.has(item)) {
      map.set(item, map.get(item) + 1);
    } else {
      map.set(item, 1);
    }
  }
  // 2.创建最大堆，进行堆排
  const heap = new MaxHeap();
  for (let item of map.entries()) {
    heap.add(item); // [key,value]
  }

  // 3. 每次取出最大的两个 item 进行重写排列
  const ret = [];
  while (heap.data[0] > 1) {
    // 这里是默认是保证存在答案，所以即便最后还有item，那么对应的值也只有1个
    // 但是如果条件没有已知，那么就可以根据这个值进行判断是否成功了
    const first = heap.pop();
    const second = heap.pop();
    // Error:错误
    // while(second[1]--){
    //     ret.push(first[0])
    //     ret.push(second[0])
    //     first[1]--
    // }

    ret.push(first[0]);
    first[1]--;
    ret.push(second[0]);
    second[1]--;
    // 然后就要放回去了

    if (first[1]) {
      // 如果还有值，放回堆里再来
      heap.add(first);
    }
    if (second[1]) {
      // 如果还有值，放回堆里再来
      heap.add(second);
    }
  }
  if (heap.data[0]) {
    ret.push(heap.pop()[0]);
  }
  return ret;
};

class MaxHeap {
  constructor() {
    this.data = [];
    this.data[0] = 0;
  }

  down(index) {
    const lastIndex = this.data[0];
    while (index << 1 <= lastIndex) {
      let child = index << 1;
      if (
        child !== lastIndex &&
        this.data[child + 1][1] > this.data[child][1]
      ) {
        child++;
      }
      if (this.data[child][1] > this.data[index][1]) {
        [this.data[child], this.data[index]] = [
          this.data[index],
          this.data[child],
        ];
        index = child;
      } else {
        break;
      }
    }
  }

  upper() {
    let index = this.data[0];
    while (index >> 1 > 0) {
      let father = index >> 1;
      if (this.data[father][1] < this.data[index][1]) {
        [this.data[father], this.data[index]] = [
          this.data[index],
          this.data[father],
        ];
        index = father;
      } else {
        break;
      }
    }
  }

  add(item) {
    this.data.push(item);
    this.data[0]++;
    this.upper();
  }

  pop() {
    [this.data[1], this.data[this.data[0]]] = [
      this.data[this.data[0]],
      this.data[1],
    ];
    const item = this.data.pop();
    this.data[0]--;
    this.down(1);
    return item;
  }
}

console.log(rearrangeBarcodes([7, 7, 7, 8, 5, 7, 5, 5, 5, 8]));