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Golang标准库深入 - 堆(container/heap)

90design
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发布于 05/15 15:17
字数 1915
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本文为“Goalng全面深入系列”中的标准库部分。

概述

heap包提供了对任意类型(实现了heap.Interface接口)的堆操作。(最小)堆是具有“每个节点都是以其为根的子树中最小值”属性的树。

树的最小元素为其根元素,索引0的位置。

heap是常用的实现优先队列的方法。要创建一个优先队列,实现一个具有使用(负的)优先级作为比较的依据的Less方法的Heap接口,如此一来可用Push添加项目而用Pop取出队列最高优先级的项目。

这是文档中的解释。

 

(container/heap 容器数据结构heap

heap的实现使用到了小根堆,下面先对堆做个简单说明

1. 堆概念  

  堆是一种经过排序的完全二叉树,其中任一非终端节点的数据值均不大于(或不小于)其左孩子和右孩子节点的值。

  最大堆和最小堆是二叉堆的两种形式。

  最大堆结点的键值是所有堆结点键值中最大者。

  最小堆结点的键值是所有堆结点键值中最小者。

2. heap

 树的最小元素在根部,为index 0.

 heap包对任意实现了heap接口的类型提供堆操作。

 heap是常用的实现优先队列的方法。要创建一个优先队列,实现一个具有使用(负的)优先级作为比较的依据的Less方法的Heap接口,如此一来可用Push添加项目而用Pop取出队列最高优先级的项目。

 

类型接口

heap包中核心是heap.Interface接口, 堆的基础存储是一个树形结构,可以用数组或是链表实现,通过heap的函数,可以建立堆并在堆上进行操作。

heap.Interface接口源码:

type Interface interface {
	sort.Interface
	Push(x interface{}) // add x as element Len()
	Pop() interface{}   // remove and return element Len() - 1.
}

 

sort.Interface接口源码

type Interface interface {
	// Len is the number of elements in the collection.
	Len() int
	// Less reports whether the element with
	// index i should sort before the element with index j.
	Less(i, j int) bool
	// Swap swaps the elements with indexes i and j.
	Swap(i, j int)
}

在实现了这些接口之后,就可以被heap包提供的各个函数进行操作,从而实现一个堆。

根据上面interface的定义,可以看出这个堆结构继承自sort.Interface, 而sort.Interface,需要实现三个方法:Len(), Less() , Swap() 。

同事还需要实现堆接口定义的两个方法:Push(x interface{})   /  Pop() interface{}, 所以我们要想使用heap定义一个堆, 只需要定义实现了这五个方法结构就可以了。

注意

接口的Push和Pop方法是供heap包调用的,请使用heap.Push和heap.Pop来向一个堆添加或者删除元素。

 

成员函数

heap包中提供了几个最基本的堆操作函数,包括Init,Fix,Push,Pop和Remove (其中up, down函数为非导出函数)。这些函数都通过调用前面实现接口里的方法,对堆进行操作。

Init

func Init(h Interface)

一个堆在使用任何堆操作之前应先初始化。接受参数为实现了heap.Interface接口的对象。

 

Fix

func Fix(h Interface, i int)

在修改第i个元素后,调用本函数修复堆,比删除第i个元素后插入新元素更有效率。

 

Push&Pop

Push和Pop是一对标准堆操作,Push向堆添加一个新元素,Pop弹出并返回堆顶元素,而在push和pop操作不会破坏堆的结构

Remove

删除堆中的第i个元素,并保持堆的约束性

 

实例练习1

代码实现了一个小顶堆,堆中元素为长方形类,按照面积大小进行排序,使用slice作为基础存储。首先是类定义和接口实现,需要实现前面说到的五个接口。

package main

import (
	"container/heap"
	"fmt"
)

//定义一个正方形的结构体
type Rectangle struct {
	width  int
	height int
}

//
func (rec *Rectangle) Area() int {
	return rec.width * rec.width
}

// 定义一个堆结构体
type RectHeap []Rectangle

// 实现heap.Interface接口
func (rech RectHeap) Len() int {
	return len(rech)
}

// 实现sort.Iterface
func (rech RectHeap) Swap(i, j int) {
	rech[i], rech[j] = rech[j], rech[i]
}
func (rech RectHeap) Less(i, j int) bool {
	return rech[i].Area() < rech[j].Area()
}

// 实现heap.Interface接口定义的额外方法
func (rech *RectHeap) Push(h interface{}) {
	*rech = append(*rech, h.(Rectangle))
}
func (rech *RectHeap) Pop() (x interface{}) {
	n := len(*rech)
	x = (*rech)[n-1]      // 返回删除的元素
	*rech = (*rech)[:n-1] // [n:m]不包括下标为m的元素
	return x
}

func main() {
	hp := &RectHeap{}
	for i := 2; i < 6; i++ {
		*hp = append(*hp, Rectangle{i, i})
	}

	fmt.Println("原始slice: ", hp)

	// 堆操作
	heap.Init(hp)
	heap.Push(hp, Rectangle{100, 10})
	fmt.Println("top元素:", (*hp)[0])
	fmt.Println("删除并返回最后一个:", heap.Pop(hp)) // 最后 一个元素
	fmt.Println("最终slice: ", hp)
}

完成这个练习如果还有疑问?

那么我们先来看看container/heap的源码:

截取其中一部分:


// Push pushes the element x onto the heap. The complexity is
// O(log(n)) where n = h.Len().
//
func Push(h Interface, x interface{}) {
	h.Push(x)
	up(h, h.Len()-1)
}

// Pop removes the minimum element (according to Less) from the heap
// and returns it. The complexity is O(log(n)) where n = h.Len().
// It is equivalent to Remove(h, 0).
//
func Pop(h Interface) interface{} {
	n := h.Len() - 1
	h.Swap(0, n)
	down(h, 0, n)
	return h.Pop()
}

在调用heap.Push()后, 程序会再次调用堆对象的Push()方法进行操作, Pop亦是如此, 不过Pop做了swap(0, n) 。


实例练习2 - 包含int的最小堆

// This example demonstrates an integer heap built using the heap interface.
package heap_test

import (
    "container/heap"
    "fmt"
)

// An IntHeap is a min-heap of ints.
type IntHeap []int

func (h IntHeap) Len() int           { return len(h) }
func (h IntHeap) Less(i, j int) bool { return h[i] < h[j] }
func (h IntHeap) Swap(i, j int)      { h[i], h[j] = h[j], h[i] }

func (h *IntHeap) Push(x interface{}) {
    // Push and Pop use pointer receivers because they modify the slice's length,
    // not just its contents.
    *h = append(*h, x.(int))
}

func (h *IntHeap) Pop() interface{} {
    old := *h
    n := len(old)
    x := old[n-1]
    *h = old[0 : n-1]
    return x
}

// This example inserts several ints into an IntHeap, checks the minimum,
// and removes them in order of priority.
func Example_intHeap() {
    h := &IntHeap{2, 1, 5}
    heap.Init(h)
    heap.Push(h, 3)
    fmt.Printf("minimum: %d\n", (*h)[0])
    for h.Len() > 0 {
        fmt.Printf("%d ", heap.Pop(h))
    }
    // Output:
    // minimum: 1
    // 1 2 3 5
}

实例练习3 - 用heap创建一个优先级队列

// This example demonstrates a priority queue built using the heap interface.
package heap_test

import (
    "container/heap"
    "fmt"
)

// An Item is something we manage in a priority queue.
type Item struct {
    value    string // The value of the item; arbitrary.
    priority int    // The priority of the item in the queue.
    // The index is needed by update and is maintained by the heap.Interface methods.
    index int // The index of the item in the heap.
}

// A PriorityQueue implements heap.Interface and holds Items.
type PriorityQueue []*Item

func (pq PriorityQueue) Len() int { return len(pq) }

func (pq PriorityQueue) Less(i, j int) bool {
    // We want Pop to give us the highest, not lowest, priority so we use greater than here.
    return pq[i].priority > pq[j].priority
}

func (pq PriorityQueue) Swap(i, j int) {
    pq[i], pq[j] = pq[j], pq[i]
    pq[i].index = i
    pq[j].index = j
}

func (pq *PriorityQueue) Push(x interface{}) {
    n := len(*pq)
    item := x.(*Item)
    item.index = n
    *pq = append(*pq, item)
}

func (pq *PriorityQueue) Pop() interface{} {
    old := *pq
    n := len(old)
    item := old[n-1]
    item.index = -1 // for safety
    *pq = old[0 : n-1]
    return item
}

// update modifies the priority and value of an Item in the queue.
func (pq *PriorityQueue) update(item *Item, value string, priority int) {
    item.value = value
    item.priority = priority
    heap.Fix(pq, item.index)
}

// This example creates a PriorityQueue with some items, adds and manipulates an item,
// and then removes the items in priority order.
func Example_priorityQueue() {
    // Some items and their priorities.
    items := map[string]int{
        "banana": 3, "apple": 2, "pear": 4,
    }

    // Create a priority queue, put the items in it, and
    // establish the priority queue (heap) invariants.
    pq := make(PriorityQueue, len(items))
    i := 0
    for value, priority := range items {
        pq[i] = &Item{
            value:    value,
            priority: priority,
            index:    i,
        }
        i++
    }
    heap.Init(&pq)

    // Insert a new item and then modify its priority.
    item := &Item{
        value:    "orange",
        priority: 1,
    }
    heap.Push(&pq, item)
    pq.update(item, item.value, 5)

    // Take the items out; they arrive in decreasing priority order.
    for pq.Len() > 0 {
        item := heap.Pop(&pq).(*Item)
        fmt.Printf("%.2d:%s ", item.priority, item.value)
    }
    // Output:
    // 05:orange 04:pear 03:banana 02:apple
}

 

 

最后,如果你有疑问,为什么要使用heap包来操作, 请转站: https://studygolang.com/articles/3719

 

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评论(1)

梦朝思夕
梦朝思夕
你把官文贴出来意义在哪里呢????????
golang 标准库 container/ring 及 container/heap

由于目前golang 没有提供泛型机制,所以通用容器实现基本和 c 类似,golang 用 interface{} 做转接, c 用 void * 转接。 ring 包实现循环双向链表: type Ring struct { next, prev *Ring ...

yujian0231
2015/03/18
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