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如何更新堆中的元素?(优先级队列)

algorithm

使用最小/最大堆算法时,优先级可能会发生变化。一种解决方法是删除并插入元素以更新队列顺序。

对于使用数组实现的优先级队列,这可能是一个可以避免的性能瓶颈,尤其是对于优先级变化很小的情况。

即使这不是优先级队列的标准操作,这也是一个自定义实现,可以根据我的需要进行修改。

是否有众所周知的最佳实践方法来更新最小/最大堆中的元素?


背景信息:我不是二进制树的专家,我继承了一些代码,该代码在优先级队列中重新插入元素时存在性能瓶颈。 我为min-
heap做了一个重新插入功能,对新元素进行了重新排序-相对于(删除和插入)有了可衡量的改进,但是这似乎是其他人可以更优雅地解决的问题方式。

如果有帮助,我可以链接到代码,但不想过多地关注实现细节-因为此问与答可能可以保持一般性。


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2020-07-28

共1个答案

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典型解决方案

通常的解决方案是将元素标记为无效并插入新元素,然后在弹出无效条目时消除它们。

替代解决方案

如果该方法不能满足要求, 则只要知道要更改的值的位置就可以按O(log n)步骤还原最小堆不变式

回想一下,最小堆是使用两个基本变量“ siftup”和“
siftdown”构建和维护的(尽管各种来源对哪个向上和哪个向下有不同的看法)。其中一个将值向下推到树上,另一个将其向上浮动。

情况1:价值增加

如果新值 x1 大于旧值 x0 ,则仅需要固定 x 下的树,因为parent(x) <= x0 < x1。只需 按下 X
在树中通过交换 X 与它的两个孩子的小,而 X 是其子大于1

情况2:价值下降

如果新值 x1 小于旧值 x ,则 x 下方的树不需要调整,因为x1 < x0 <= either_child(x)。相反,我们只需要
向上移动,即可 在 x 小于其父级时将 x 与它的父级交换 __
不需要考虑同级节点,因为它们已经大于或等于父级,而父级可能会被较低的值替换。

情况3:值不变

无需任何工作。现有的不变量不变。

Python中的工作代码

测试1,000,000次试验:创建一个随机堆。更改随机选择的值。恢复堆条件。验证结果是最小堆。

from heapq import _siftup, _siftdown, heapify
from random import random, randrange, choice

def is_minheap(arr):
    return all(arr[i] >= arr[(i-1)//2] for i in range(1, len(arr)))

n = 40
trials = 1_000_000
for _ in range(trials):

    # Create a random heap
    data = [random() for i in range(n)]
    heapify(data)

    # Randomly alter a heap element
    i = randrange(n)
    x0 = data[i]
    x1 = data[i] = choice(data)

    # Restore the heap
    if x1 > x0:                 # value is increased
        _siftup(data, i)
    elif x1 < x0:               # value is decreased
        _siftdown(data, 0, i)

    # Verify the results
    assert is_minheap(data), direction
2020-07-28