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C语言 数据结构 【堆】动态模拟实现，堆排序，TOP-K问题

news 来源：原创 2025/4/22 7:15:19

引言

        堆的各个接口的实现（以代码注释为主），实现堆排序，解决经典问题：TOP-K问题

一、堆的概念与结构

 堆 具有以下性质

• 堆中某个结点的值总是不大于或不小于其父结点的值；

• 堆总是一棵完全二叉树。 

 

二、堆的模拟实现 

堆底层结构用数组来实现

注意：跟结点的下标为0

分三个文件来写：

Heap.h //实现堆需要的头文件，函数的声明
Heap.c //实现堆的各个接口的代码
test.c //测式堆接口的代码

1.在Heap.h中定义堆的结构和声明要实现的函数：

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>//堆的结构
typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{HPDataType* arr;  //数组int size;         //有效元素个数int capacity;     //数组的容量
}HP;void HPInit(HP* php);  //初始化堆void Swap(int* x, int* y); //交换两个元素void HPDestroy(HP* php);   //堆的销毁void HPPrint(HP* php);     //打印堆数组void HPPush(HP* php, HPDataType x); //往堆中插入元素
void HPPop(HP* php);    //删除堆顶元素
//取堆顶元素HPDataType HPTop(HP* php);//判空
bool HPEmpty(HP* php);//向下调整算法,时间复杂度：O(n)
void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n);//向上调整算法,时间复杂度：O（n*logn）
void AdjustUp(HPDataType* arr, int child);

2.堆的初始化 和 堆的销毁 

//初始化堆
void HPInit(HP* php)
{php->arr = NULL;   //先将数组的地址指向NULLphp->size = php->capacity = 0;  
}
//堆的销毁
void HPDestroy(HP* php)
{if (php->arr)free(php->arr); //将数组给释放掉php->arr = NULL;php->size = php->capacity = 0;
}

 3.向上调整算法和在堆中插入元素

void Swap(int* x, int* y) //实现两个元素的交换
{int tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;
}
//向上调整算法,时间复杂度：O（n*logn）
//从插入的叶子结点向上调整
void AdjustUp(HPDataType* arr, int child)
{int parent = (child - 1) / 2; //找到父节点while (child > 0){//大堆：>//小堆：<if (arr[child] > arr[parent]) //这里创建大根堆{Swap(&arr[child], &arr[parent]); //孩子结点大于父亲结点，不符合大根堆，要交换child = parent;     //将父节点设置为孩子结点，重复上面的步骤parent = (child - 1) / 2; }else{break;}}
}
void HPPush(HP* php, HPDataType x)
{assert(php);//判断空间是否足够if (php->size == php->capacity){int newCapacity = php->capacity == 0 ? 4 : 2 * php->capacity;HPDataType* tmp = (HPDataType*)realloc(php->arr, newCapacity * sizeof(HPDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail!");exit(1);}php->arr = tmp;php->capacity = newCapacity;}//插入新结点php->arr[php->size] = x;AdjustUp(php->arr, php->size);//将插入的结点调整成符合堆的位置++php->size; //有效元素加1
}

 4.打印堆元素和判空

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

 5.向下调整算法 和 删除堆顶元素

//向下调整算法,时间复杂度：O(n)
void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n)
{int child = parent * 2 + 1; //左孩子while (child < n){//大堆：<//小堆：>if (child + 1 < n && arr[child] < arr[child + 1]) child++;//大堆：>//小堆:<if (arr[child] > arr[parent]){Swap(&arr[child], &arr[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1; //还是左孩子}else{break;}}
}void HPPop(HP* php)
{assert(!HPEmpty(php));//0 php->size - 1Swap(&php->arr[0], &php->arr[php->size - 1]); //交换根节点和最后一个结点php->size--;AdjustDown(php->arr, 0, php->size);
}

 6.取堆顶元素

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

 三、所以代码：

1.Heap.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>//堆的结构
typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{HPDataType* arr;  //数组int size;         //有效元素个数int capacity;     //数组的容量
}HP;void HPInit(HP* php);  //初始化堆void Swap(int* x, int* y); //交换两个元素void HPDestroy(HP* php);   //堆的销毁void HPPrint(HP* php);     //打印堆数组void HPPush(HP* php, HPDataType x); //往堆中插入元素
void HPPop(HP* php);    //删除堆顶元素
//取堆顶元素HPDataType HPTop(HP* php);//判空
bool HPEmpty(HP* php);//向下调整算法,时间复杂度：O(n)
void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n);//向上调整算法,时间复杂度：O（n*logn）
void AdjustUp(HPDataType* arr, int child);

2.Heap.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include"Heap.h"//初始化堆
void HPInit(HP* php)
{php->arr = NULL;   //先将数组的地址指向NULLphp->size = php->capacity = 0;  
}
//堆的销毁
void HPDestroy(HP* php)
{if (php->arr)free(php->arr); //将数组给释放掉php->arr = NULL;php->size = php->capacity = 0;
}void HPPrint(HP* php)
{for (int i = 0; i < php->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,时间复杂度：O（n*logn）
//从插入的叶子结点向上调整
void AdjustUp(HPDataType* arr, int child)
{int parent = (child - 1) / 2; //找到父节点while (child > 0){//大堆：>//小堆：<if (arr[child] > arr[parent]) //这里创建大根堆{Swap(&arr[child], &arr[parent]); //孩子结点大于父亲结点，不符合大根堆，要交换child = parent;     //将父节点设置为孩子结点，重复上面的步骤parent = (child - 1) / 2; }else{break;}}
}
void HPPush(HP* php, HPDataType x)
{assert(php);//判断空间是否足够if (php->size == php->capacity){int newCapacity = php->capacity == 0 ? 4 : 2 * php->capacity;HPDataType* tmp = (HPDataType*)realloc(php->arr, newCapacity * sizeof(HPDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail!");exit(1);}php->arr = tmp;php->capacity = newCapacity;}//插入新结点php->arr[php->size] = x;AdjustUp(php->arr, php->size);//将插入的结点调整成符合堆的位置++php->size; //有效元素加1
}
//判空
bool HPEmpty(HP* php)
{assert(php);return php->size == 0;
}//向下调整算法,时间复杂度：O(n)
void AdjustDown(HPDataType* arr, int parent, int n)
{int child = parent * 2 + 1; //左孩子while (child < n){//大堆：<//小堆：>if (child + 1 < n && arr[child] < arr[child + 1]) child++;//大堆：>//小堆:<if (arr[child] > arr[parent]){Swap(&arr[child], &arr[parent]);parent = child;child = parent * 2 + 1; //还是左孩子}else{break;}}
}void HPPop(HP* php)
{assert(!HPEmpty(php));//0 php->size - 1Swap(&php->arr[0], &php->arr[php->size - 1]); //交换根节点和最后一个结点php->size--;AdjustDown(php->arr, 0, php->size);
}//取堆顶数据
HPDataType HPTop(HP* php)
{assert(!HPEmpty(php));return php->arr[0];
}

3.test.c中的代码 

#include"Heap.h"void test01()
{HP hp;HPInit(&hp);HPPush(&hp, 10);HPPush(&hp, 34);HPPush(&hp, 34);HPPush(&hp, 30);HPPush(&hp, 70);HPPush(&hp, 26);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPPop(&hp);HPPrint(&hp);HPDestroy(&hp);}
void test02()
{HP hp;HPInit(&hp);HPPush(&hp, 10);HPPush(&hp, 34);HPPush(&hp, 60);HPPush(&hp, 30);HPPush(&hp, 70);HPPush(&hp, 26);HPPrint(&hp);while (!HPEmpty(&hp)){int top = HPTop(&hp);printf("%d ", top);HPPop(&hp);}
}
int main()
{//test01();//test02();return 0;
}

四、堆的应用

（这里只是举例了两个例子）

1、堆排序

故名：是一种实现排序的算法

有一种想法是借用堆这种数据结构实现排序，但是这是假的堆排序。

//借用堆这种数据结构（假的堆排序）
//思想：先将数组中的元素存储在堆中，每次取堆顶元素放入数组中
// 升序：大根堆
// 降序：小根堆
void HeapSort1(int* arr, int n)
{HP hp; // 借用堆这种数据结构（假的堆排序）HPInit(&hp);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);
}

真正的堆排序： 

1.先根据数组，建堆
2.将堆顶元素和最后一个元素交换，size--后剩下的元素向下调整建堆，重复该过程
升序：建大堆
降序：建小堆

//1.先根据数组，建堆
//2.将堆顶元素和最后一个元素交换，size--后剩下的元素向下调整建堆，重复该过程
//升序：建大堆
//降序：建小堆
void HeapSort(int* arr, int n)
{//建堆：用向下调整算法（时间复杂度素数O(n)）（向上调整算法时间复杂度是O（n*logn））for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)//先找到每个元素对应的根结点{AdjustDown(arr, i, n);}//堆排序int end = n - 1;while (end > 0){Swap(&arr[0], &arr[end]);end--;AdjustDown(arr, 0, end);}}

2、TOP-K问题

TOP-K问题：即求数据集合中前K个最大的元素或者最小的元素，⼀般情况下数据量都比较大。

比如：专业前10名、世界500强、富豪榜、游戏中前100的活跃玩家等。

        对于Top-K问题，能想到的最简单直接的方式就是排序，但是：如果数据量非常大，排序就不太可取了 (可能数据都不能一下全部加载到内存中)。

最佳的方式就是用堆来解决，基本思路如下：

1）用数据集合中前K个元素来建堆

                求前k个最大的元素，则建小堆

                求前k个最小的元素，则建大堆

2）用剩余的N-K个元素依次与堆顶元素来比较，不满足（比如是小堆，N-K中取出的元素比小堆中的堆顶元素大，就和堆顶元素交换，交换完后调整成小堆，重复次操作）则替换堆顶元素，将剩余N-K个元素依次与堆顶元素比较完之后，堆中剩余的K个元素就是所求的前K个最小或者最大的元素 

 2.1创造数据

        这时你可能会问：“大量数据不能一下加载到内存中，那么怎么存储数据呢？”

回答：“存到文件中”

void CreateNDate()
{//造数据int n = 1000000;srand(time(0));const char* file = "data.txt"; //文件名FILE* fin = fopen(file, "w");  //打开文件if (fin == NULL){perror("fopen error!");exit(1);}for (int i = 0; i < n; i++){int x = (rand() + i) % 1000000;fprintf(fin, "%d\n", x);   //写入数据}fclose(fin);
}

 

里面生成1000000个数据

2.2对这些数据进行排序

        先在一大堆数据中取k个数据，（这里以找前k大的数据来说）建小跟堆，然后取其他数据与堆顶进行比较，比堆顶大的就和堆顶交换，重复这个步骤，最后，堆里面的数据就是前k大的数据了。

看代码注释为主

void TopK()
{int k = 0;printf("请输入k: ");scanf("%d", &k);const char* file = "data.txt";FILE* fout = fopen(file, "r");if (fout == NULL){perror("fopen fail!");exit(1);}//先申请个数组存k个数据//找最大的前K个数据，建小堆int* minHeap = (int*)malloc(sizeof(int) * k);if (minHeap == NULL){perror("malloc fail!");exit(2);}for (int i = 0; i < k; i++){fscanf(fout, "%d", &minHeap[i]); //取k个数据用来建堆}//minHeap----向下for (int i = (k - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--){AdjustDown(minHeap, i, k);}//遍历剩下的n-k个数据，跟堆顶比较，比堆顶大的就和堆顶替换//最后堆里面剩下的就是前k个最大的数据了int x = 0;while (fscanf(fout, "%d", &x) != EOF){if (x > minHeap[0]) //和堆顶元素比较{minHeap[0] = x;AdjustDown(minHeap, 0, k);}}for (int i = 0; i < k; i++){printf("%d ", minHeap[i]);}
}

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