Python实现最大优先队列：基于最大堆的完整代码解析

核心类设计与堆操作实现

#! /usr/bin/env python
#coding=utf-8

class Heap(object):
 #求给定下标i的父节点下标
 def Parent(self, i):
  if i%2==0:
   return i/2 - 1
  else:
   return i/2
 #求给定下标i的左孩子下标
 def Left(self, i):
  return 2*i+1
 #求给定下标i的右孩子下标
 def Right(self, i):
  return 2*i+2
 #维护堆的性质：遵循最大堆
 def MaxHeapify(self, a, i, heap_size):
  l=self.Left(i)
  r=self.Right(i)
  largest = i
  if l<heap_size and a[l]>a[largest]:#下标从0~heap_size-1
   largest=l
  if r<heap_size and a[r]>a[largest]:
   largest=r
  if largest!=i:#若当前节点不是最大的，下移
   a[i], a[largest] = a[largest], a[i]#交换a[i]和a[largest]
   self.MaxHeapify(a, largest, heap_size)#追踪下移的节点
 #建堆 
 def BuildMaxHeap(self, a):
  heap_size=len(a)
  for i in range(heap_size/2 - 1, -1, -1):#从最后一个非叶节点开始调整
   #a[heap_size/2 - 1]~a[0]都是非叶节点，其他的是叶子节点
   self.MaxHeapify(a, i, heap_size)
 #堆排序算法 
 def HeapSort(self, a):
  heap_size=len(a)
  '''step1:初始化堆，将a[0...n-1]构造为堆（堆顶a[0]为最大元素）'''
  self.BuildMaxHeap(a)
  for i in range(len(a)-1, 0, -1):
   #print a
   '''step2:将当前无序区的堆顶元素a[0]与该区间最后一个记录交换
    得到新的无序区a[0...n-2]和新的有序区a[n-1],有序区的范围从
    后往前不断扩大，直到有n个'''
   a[0], a[i] = a[i], a[0]#每次将剩余元素中的最大者放到最后面a[i]处 
   heap_size -= 1
   '''step3:为避免交换后新的堆顶违反堆的性质，因此将新的无序区调整为新
    的堆'''
   self.MaxHeapify(a, 0, heap_size)


#最大优先队列的实现
class PriorityQ(Heap):
 #返回具有最大键字的元素
 def HeapMaximum(self, a):
  return a[0]
 #去掉并返回具有最大键字的元素
 def HeapExtractMax(self, a):
  heap_size=len(a)
  #if heap_size<0:
  # error "heap underflow"
  if heap_size>0:
   max=a[0]
   a[0]=a[heap_size-1]
   #heap_size -= 1 #该处不对，并没有真正实现数组长度减一
   del a[heap_size-1]#!!!!!!
   self.MaxHeapify(a, 0, len(a))
   return max
 #将a[i]处的关键字增加到key
 def HeapIncreaseKey(self, a, i, key):
  if key<a[i]:
   print "new key is smaller than current one"
  else:
   a[i]=key
   '''当前元素不断与其父节点进行比较，如果当前元素关键字较大，则与其
    父节点进行交换。不断重复此过程'''
   while i>0 and a[self.Parent(i)]<a[i]:
    a[i], a[self.Parent(i)] = a[self.Parent(i)], a[i]
    i=self.Parent(i) 

 #增加元素
 def MaxHeapInsert(self, a, key):
  #heap_size=len(a)
  #heap_size += 1
  #a[heap_size-1]=-65535
  a.append(-65535)#在a的末尾增加一个关键字为负无穷的叶节点扩展最大堆
  heap_size=len(a)
  self.HeapIncreaseKey(a, heap_size-1, key)


if __name__ == '__main__':
 H = Heap()
 P = PriorityQ()
 x = [0, 2, 6, 98, 34, -5, 23, 11, 89, 100, 4]
 #x1= [3,9,8,4,5,2,10,18]
 #H.HeapSort(x)
 #H.HeapSort(x1)
 #print x
 #print x1
 H.BuildMaxHeap(x)#首先建立大顶堆
 print '%s %r' % ('BigHeap1:', x) # %r是万能输出格式
 print '%s %d' % ('Maximun:', P.HeapMaximum(x))
 print '%s %d' % ('ExtractMax:', P.HeapExtractMax(x))
 print '%s %r' % ('BigHeap2:', x)
 #P.MaxHeapInsert(x, 100)
 #print x
 P.HeapIncreaseKey(x, 2, 20)
 print x
 P.HeapIncreaseKey(x, 2, 30)
 print x
 P.MaxHeapInsert(x, 100)
 print x

BigHeap1: [100, 98, 23, 89, 34, -5, 6, 11, 0, 2, 4] 
Maximun: 100 
ExtractMax: 100 
BigHeap2: [98, 89, 23, 11, 34, -5, 6, 4, 0, 2] 
new key is smaller than current one 
[98, 89, 23, 11, 34, -5, 6, 4, 0, 2] 
[98, 89, 30, 11, 34, -5, 6, 4, 0, 2] 
[100, 98, 30, 11, 89, -5, 6, 4, 0, 2, 34]