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高级堆结构

news 2025/8/18 17:05:09

一、二项堆（Binomial Heap）：理解「合并操作」的优化

二项堆的核心优势是高效合并，类似 “二进制加法”。我们通过「合并两个二项堆」的伪代码和步骤来理解：

核心结构伪代码：

class BinomialTreeNode:def __init__(self, key):self.key = key  # 节点值self.degree = 0  # 度数（子节点数量）self.parent = None  # 父节点self.children = []  # 子节点列表（按度数从小到大排列）class BinomialHeap:def __init__(self):self.trees = []  # 存储二项树（按度数从小到大排序，每个度数最多1棵）self.min_node = None  # 指向最小元素节点

关键操作：合并两个二项堆（类似二进制加法）

def merge_heaps(h1, h2):# 1. 合并两个堆的树列表（按度数从小到大）merged = []i = j = 0while i < len(h1.trees) and j < len(h2.trees):t1 = h1.trees[i]t2 = h2.trees[j]if t1.degree < t2.degree:merged.append(t1)i += 1else:merged.append(t2)j += 1merged.extend(h1.trees[i:])merged.extend(h2.trees[j:])# 2. 合并相同度数的树（类似二进制进位）result = BinomialHeap()carry = None  # 用于暂存合并后的树for tree in merged:if carry is None:carry = treeelse:if carry.degree == tree.degree:# 合并两棵同度数的树（小根作为父节点）if carry.key > tree.key:carry, tree = tree, carry  # 保证carry是小根tree.parent = carrycarry.children.append(tree)carry.degree += 1  # 度数+1else:# 度数不同，直接加入结果result.trees.append(carry)carry = treeif carry is not None:result.trees.append(carry)# 3. 更新最小节点result.update_min()return result

步骤拆解（合并示例）：

假设 h1 有一棵树 B2（度数 2），h2 有一棵树 B2（度数 2）：

合并树列表后，得到两个度数为 2 的树。
合并这两棵树：较小根节点作为父，另一棵作为子，得到一棵 B3（度数 3）。
最终结果堆只包含 B3，完成合并。

核心理解：二项堆的合并像 “二进制加法”，同度数树合并后度数 + 1，效率远高于二叉堆的 O (n) 合并。

二、斐波那契堆（Fibonacci Heap）：理解「延迟操作」

斐波那契堆的高效源于 “不立即处理冲突，延迟到必要时”。以「插入」和「提取最小」为例：

核心结构伪代码：

class FibonacciNode:def __init__(self, key):self.key = keyself.parent = Noneself.children = []  # 子节点列表self.degree = 0  # 子节点数量self.marked = False  # 标记：是否失去过子节点class FibonacciHeap:def __init__(self):self.root_list = []  # 根节点列表（所有树的根）self.min_node = None  # 最小节点指针self.node_count = 0  # 总节点数

1. 插入操作（O (1)，体现延迟思想）：

def insert(self, key):new_node = FibonacciNode(key)self.root_list.append(new_node)  # 直接加入根列表，不合并# 更新最小节点if self.min_node is None or new_node.key < self.min_node.key:self.min_node = new_nodeself.node_count += 1

步骤理解：插入时直接把新节点作为一棵新树加入根列表，不处理任何合并，所以是 O (1)。

2. 提取最小节点（触发延迟处理，摊还 O (log n)）：

def extract_min(self):if self.min_node is None:return None# 1. 把最小节点的子节点加入根列表（失去父节点）for child in self.min_node.children:self.root_list.append(child)child.parent = None# 2. 从根列表移除最小节点self.root_list.remove(self.min_node)self.node_count -= 1# 3. 延迟处理：合并相同度数的树（此时才清理结构）self.consolidate()  # 核心：合并根列表中同度数的树# 4. 重新找最小节点self.min_node = self.find_min_in_root_list()return self.min_node.key

步骤理解：只有提取最小节点时，才会合并根列表中同度数的树（类似二项堆的合并），这个操作的代价被 “摊还” 到之前的插入操作上，所以整体摊还复杂度是 O (log n)。

核心理解：斐波那契堆通过 “延迟合并” 把复杂操作推迟，让简单操作（插入、合并）变得极快。

三、配对堆（Pairing Heap）：理解「简单高效的合并」

配对堆的核心是极简的结构和两两合并策略，实现简单却高效。

核心结构伪代码：

class PairingNode:def __init__(self, key):self.key = keyself.children = []  # 子节点列表（子堆）class PairingHeap:def __init__(self, key=None):self.root = PairingNode(key) if key is not None else None

1. 合并操作（O (1)，体现简单性）：

def merge(h1, h2):# 比较两个根，小根作为父节点，大根作为子节点if h1 is None:return h2if h2 is None:return h1if h1.root.key > h2.root.key:h1, h2 = h2, h1  # 保证h1根更小# 把h2作为h1的子节点h1.root.children.append(h2.root)return h1

步骤理解：合并两个配对堆时，只需把根更大的堆作为子节点挂到根更小的堆上，一步完成，所以是 O (1)。

2. 提取最小节点（用 “配对法” 合并子堆）：

def extract_min(self):if self.root is None:return Nonemin_key = self.root.key# 合并所有子节点（核心：配对法）if self.root.children:self.root = self.pairwise_merge(self.root.children)else:self.root = Nonereturn min_keydef pairwise_merge(children):# 第一步：两两合并子节点if len(children) == 0:return Noneif len(children) == 1:return children[0]# 两两合并，递归处理剩余merged = []for i in range(0, len(children)-1, 2):merged_child = merge(children[i], children[i+1])merged.append(merged_child)# 若有奇数个，最后一个单独处理if len(children) % 2 == 1:merged.append(children[-1])# 第二步：依次合并结果return pairwise_merge(merged)

步骤理解：提取最小节点（根节点）后，将其子节点两两合并，再递归合并结果，确保合并效率。这种 “配对合并” 策略让摊还复杂度接近 O (log n)。

核心理解：配对堆用最简单的结构（单根 + 子堆列表）和合并策略，在实践中比理论更高效，适合工程实现。

总结：通过核心操作理解高级堆

堆类型	最能体现特性的操作	操作逻辑核心	为什么高效？
二项堆	合并	按度数从小到大合并，同度数树合并为更高一度树（类似二进制加法）	合并复杂度从 O (n) 降为 O (log n)
斐波那契堆	插入	直接加入根列表，不合并（延迟处理）	简单操作 O (1)，复杂操作摊还处理
配对堆	合并	小根作为父，大根作为子，提取时两两合并子堆	结构极简，合并逻辑简单，常数小