Java-优先级队列（堆）

1. 二叉树的顺序存储

1.1 存储方式

使用数组保存二叉树的结构，方式即将二叉树用层序遍历方式放入数组中。一般只适合表示完全二叉树，因为非完全二叉树会有空间的浪费。这种方式的主要用法就是堆的表示。

1.2 下标关系

已知双亲(parent)的下标，则：
左孩子(left)下标 = 2 * parent + 1;
右孩子(right)下标 = 2 * parent + 2;
已知孩子（不区分左右）(child)下标，则：
双亲(parent)下标 = (child - 1) / 2;

2. 堆(heap)

2.1 概念

堆逻辑上是一棵完全二叉树
堆物理上是保存在数组中
满足任意结点的值都大于其子树中结点的值，叫做大堆，或者大根堆，或者最大堆
反之，则是小堆，或者小根堆，或者最小堆
堆的基本作用是，快速找集合中的最值

2.2 建堆

给出一个数组，这个数组逻辑上可以看做一颗完全二叉树，但是还不是一个堆，现在我们通过算法，把它构建成一个堆。根节点左右子树不是堆，我们怎么调整呢？这里我们从倒数的第一个非叶子节点的子树开始调整，一直调整到根节点的树，就可以调整成堆。
代码（以大堆为例）：

public static void createHeap(int[] array, int size) { for (int i = (size - 1) / 2; i >= 0; i--) { shiftDown(array, size, i);
}
}
// 建堆前
int[] array = { 1,5,3,8,7,6 };
// 建堆后
int[] array = { 8,7,6,5,1,3 };

时间复杂度分析：
大概估算，可以认为是在循环中执行向下调整，为 O(n * log(n))，实际上是 O(n)
建堆过程时间复杂度怎么来的？

3. 堆的应用-优先级队列

3.1 有关概念

很多场景中，我们通常需要按照优先级情况对待处理对象进行处理，比如首先处理优先级最高的对象，然后处理次高的对象。最简单的一个例子就是，在手机上玩游戏的时候，如果有来电，那么系统应该优先处理打进来的电话。在这种情况下，我们的数据结构应该提供两个最基本的操作，一个是返回最高优先级对象，一个是添加新的对象。这种数据结构就是优先级队列(Priority Queue)

3.1 内部原理

优先级队列的实现方式有很多，但最常见的是使用堆来构建。

3.2 操作-入队列

过程（以大堆为例）：

首先按尾插方式放入数组
比较其和其双亲的值的大小，如果双亲的值大，则满足堆的性质，插入结束
否则，交换其和双亲位置的值，重新进行 2、3 步骤
直到根结点
代码：

public static void shiftUp(int[] array, int index) { while (index > 0) { int parent = (index - 1) / 2; if (array[parent] >= array[index]) {break; }int t = array[parent]; array[parent] = array[index]; array[index] = t; index = parent; } }

3.3 操作-出队列

为了防止破坏堆的结构，删除时并不是直接将堆顶元素删除，而是用数组的最后一个元素替换堆顶元素，然后通过向下调整方式重新调整成堆
代码：

public class MyPriorityQueue { // 不考虑扩容部分的代码 private int[] array = new int[100]; private int size = 0; public void offer(int e) { array[size++] = e; shiftUp(array, size - 1); }public int poll() { int oldValue = array[0]; array[0] = array[--size]; shiftDown(array, size, 0); return oldValue; }public int peek() { return array[0]; }
}