สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น
สร้างการปรับฮีปขึ้นสำหรับการเลื่อนเข้าและการปรับฮีปลงสำหรับการเลื่อนออก แล้วสร้างฮีปจากอาร์เรย์ที่ไม่เรียงลำดับในเวลา O(n) ด้วยอัลกอริทึมของ Floyd
สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น เป็นบทเรียน Coding Interview Prep ฟรีบน CoddyKit นี่คือบทเรียนที่ 2 จากทั้งหมด 4 บทเรียน คุณสามารถอ่านบทเรียนทั้งหมดด้านล่างฟรี — จากนั้นลองปฏิบัติด้วยตัวคุณเองในเบราว์เซอร์พร้อมตัวแก้ไขโค้ดในตัวและติวเตอร์ AI ตลอด 24/7 บทเรียนนี้เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางการเรียน Coding Interview Prep และความก้าวหน้าของคุณจะซิงค์ข้ามเว็บและแอป CoddyKit คอร์ส Coding Interview Prep มีบทเรียนทั้งหมด 4 บทเรียน
การสร้างคลาส MinHeap
การสร้างฮีปตั้งแต่ต้นช่วยแสดงให้เห็นว่าคุณเข้าใจกลไกพื้นฐานอย่างถ่องแท้ และบางครั้งก็เป็นหัวข้อที่ถามในการสัมภาษณ์ระดับอาวุโส คลาส MinHeapห่อหุ้มอาร์เรย์ไว้และเปิดให้ใช้งานการดำเนินการ push, pop, peek และ size ภายในคลาสจะรักษาคุณสมบัติของฮีปด้วยการเรียกการเลื่อนขึ้นหลัง push และการเลื่อนลงหลัง pop เมื่อเข้าใจการทำงานนี้แล้ว โมดูล heapq ของไพธอนก็จะเข้าใจได้อย่างโปร่งใส
class MinHeap:
def __init__(self):
self._data = []
def push(self, val):
self._data.append(val)
self._sift_up(len(self._data) - 1)
def pop(self):
if len(self._data) == 1:
return self._data.pop()
min_val = self._data[0]
self._data[0] = self._data.pop() # move last to root
self._sift_down(0)
return min_val
def peek(self):
return self._data[0] if self._data else None
def size(self):
return len(self._data)
def _parent(self, i): return (i - 1) // 2
def _left(self, i): return 2 * i + 1
def _right(self, i): return 2 * i + 2
print('MinHeap class skeleton defined')การนำการเลื่อนขึ้นไปใช้งาน
การเลื่อนขึ้นจะเปรียบเทียบโหนดกับ parent ของมัน และสลับขึ้นด้านบนตราบใดที่คุณสมบัติของฮีป (parent <= child สำหรับฮีปต่ำสุด) ยังถูกละเมิด จุดสำคัญคือองค์ประกอบที่เพิ่งแทรกอยู่ท้ายสุดและจะลอยขึ้นไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง ลูป while ทำงานไม่เกิน floor(log n) ครั้ง ซึ่งเท่ากับความสูงของต้นไม้ ในแต่ละขั้นตอนให้กำหนด i = parent เพื่อเลื่อนต่อขึ้นด้านบน
class MinHeap:
def __init__(self):
self._data = []
def _parent(self, i): return (i - 1) // 2
def _left(self, i): return 2 * i + 1
def _right(self, i): return 2 * i + 2
def _sift_up(self, i):
while i > 0:
p = self._parent(i)
if self._data[p] > self._data[i]: # parent > child: swap
self._data[p], self._data[i] = self._data[i], self._data[p]
i = p
else:
break # heap property satisfied
def push(self, val):
self._data.append(val)
self._sift_up(len(self._data) - 1)
h = MinHeap()
for v in [5, 3, 8, 1, 4]:
h.push(v)
print(h._data) # valid min-heapการนำการเลื่อนลงไปใช้งาน
การเลื่อนลงจะดันโหนดลงด้านล่างด้วยการสลับกับโหนดลูกที่มีค่าน้อยที่สุดซ้ำ ๆ (สำหรับฮีปต่ำสุด) จนไม่มีโหนดลูกใดมีค่าน้อยกว่าอีกต่อไป หรือจนกว่าโหนดจะไปถึงใบ ให้เปรียบเทียบกับโหนดลูกทั้งสองเสมอ และสลับกับโหนดที่มีค่าน้อยกว่าเพื่อรักษาคุณสมบัติของฮีป อย่าลืมตรวจสอบว่าดัชนีของโหนดลูกอยู่ภายในขอบเขตก่อนเปรียบเทียบค่า
def _sift_down(data, i):
n = len(data)
while True:
smallest = i
l = 2 * i + 1
r = 2 * i + 2
if l < n and data[l] < data[smallest]:
smallest = l
if r < n and data[r] < data[smallest]:
smallest = r
if smallest == i:
break # already the smallest among i, l, r
data[i], data[smallest] = data[smallest], data[i]
i = smallest
# Test: put a large value at root and sift down
heap = [10, 1, 2, 3, 4, 5, 6]
print('Before sift-down:', heap)
_sift_down(heap, 0)
print('After sift-down:', heap) # 1 should reach top, 10 sinkเติมการนำออกให้ MinHeap สมบูรณ์
การดำเนินการ popจะนำรากออกและคืนค่ารากนั้น (ซึ่งเป็นค่าต่ำสุดสำหรับฮีปต่ำสุด) เพื่อรักษารูปร่างของต้นไม้ทวิภาคแบบสมบูรณ์ ให้ย้ายองค์ประกอบสุดท้ายไปยังตำแหน่งราก จากนั้นเลื่อนองค์ประกอบนั้นลง วิธีนี้ป้องกันการเกิดช่องว่างในอาร์เรย์และทำให้การแทนค่ายังคงถูกต้อง กรณีขอบ: หากเหลือองค์ประกอบเพียงรายการเดียว ให้ pop และคืนค่านั้นโดยตรงโดยไม่ต้องเลื่อนลง
class MinHeap:
def __init__(self):
self._data = []
def push(self, val):
self._data.append(val)
i = len(self._data) - 1
while i > 0:
p = (i - 1) // 2
if self._data[p] > self._data[i]:
self._data[p], self._data[i] = self._data[i], self._data[p]
i = p
else: break
def pop(self):
if not self._data: return None
if len(self._data) == 1: return self._data.pop()
result = self._data[0]
self._data[0] = self._data.pop() # last -> root
i, n = 0, len(self._data)
while True:
s, l, r = i, 2*i+1, 2*i+2
if l < n and self._data[l] < self._data[s]: s = l
if r < n and self._data[r] < self._data[s]: s = r
if s == i: break
self._data[i], self._data[s] = self._data[s], self._data[i]
i = s
return result
h = MinHeap()
for v in [5, 3, 8, 1, 4, 2]: h.push(v)
print([h.pop() for _ in range(6)]) # [1,2,3,4,5,8] sortedอัลกอริทึม heapify ของฟลอยด์
อัลกอริทึมของฟลอยด์สร้างฮีปต่ำสุดจากอาร์เรย์ที่ยังไม่ได้เรียงในเวลา O(n) ด้วยการเรียกการเลื่อนลงกับโหนดที่ไม่ใช่ใบทุกโหนด โดยเริ่มจากโหนดภายในโหนดสุดท้าย (n//2 - 1) และเคลื่อนไปยังราก โหนดใบเป็นฮีปที่มีองค์ประกอบเดียวและถูกต้องอยู่แล้ว เวลา O(n) มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าโหนดส่วนใหญ่อยู่ใกล้ด้านล่างของต้นไม้ และต้องเลื่อนลงเพียงระยะสั้น ๆ เท่านั้น
def heapify(arr):
n = len(arr)
# Start from last non-leaf: index n//2 - 1
# Work backward to root (index 0)
for i in range(n // 2 - 1, -1, -1):
# Sift down node at index i
j = i
while True:
s = j
l, r = 2*j+1, 2*j+2
if l < n and arr[l] < arr[s]: s = l
if r < n and arr[r] < arr[s]: s = r
if s == j: break
arr[j], arr[s] = arr[s], arr[j]
j = s
return arr
arr = [9, 7, 5, 3, 1, 8, 2, 4, 6]
print('Before:', arr)
heapify(arr)
print('After (min-heap):', arr) # arr[0] should be 1เหตุใดอัลกอริทึมของฟลอยด์จึงเป็น O(n)
การพิสูจน์ O(n): ต้นไม้มีโหนด n/2^(k+1) ที่ความสูง k โหนดแต่ละโหนดที่ความสูง k จะสลับตำแหน่งระหว่างการเลื่อนลงได้ไม่เกิน k ครั้ง งานทั้งหมด = ผลรวมตามความสูง k ทั้งหมด: n/2^(k+1) * k อนุกรมเรขาคณิตนี้ลู่เข้าสู่ O(n) ลองเปรียบเทียบกับการแทรกทีละรายการแบบตรงไปตรงมา: push แต่ละครั้งใช้เวลา O(log n) ดังนั้น push n ครั้งจึงใช้เวลา O(n log n) อัลกอริทึมของฟลอยด์ดีกว่าอย่างเคร่งครัดสำหรับการสร้างแบบกลุ่ม
import time
import random
# Compare: O(n) heapify vs O(n log n) one-by-one
n = 100000
data = list(range(n, 0, -1)) # reverse sorted = worst case for push
# Method 1: Floyd's O(n)
data1 = data[:]
start = time.time()
for i in range(n // 2 - 1, -1, -1):
j = i
while True:
s = j; l, r = 2*j+1, 2*j+2
if l < n and data1[l] < data1[s]: s = l
if r < n and data1[r] < data1[s]: s = r
if s == j: break
data1[j], data1[s] = data1[s], data1[j]; j = s
print(f'Floyd heapify: {time.time()-start:.4f}s')
# Method 2: One-by-one insertion
import heapq
start = time.time()
heap = []
for x in data: heapq.heappush(heap, x)
print(f'Push one-by-one: {time.time()-start:.4f}s')การ push ฮีปลงในคอลเลกชันที่มีอยู่
heapq.heappushpop และ heapq.heapreplace ของไพธอนเป็นการดำเนินการแบบรวมที่มีประสิทธิภาพ heappushpop(heap, item) จะ push รายการใหม่แล้ว pop ค่าที่น้อยที่สุดออกทันที ซึ่งมีประสิทธิภาพกว่าการเรียกสองครั้งแยกกัน heapreplace(heap, item) จะ pop ค่าที่น้อยที่สุดและ push รายการใหม่ในการทำงานรอบเดียว (รายการใหม่ต้องมีค่า >= ค่าต่ำสุดเดิมจึงจะถูกต้อง) การดำเนินการเหล่านี้มีประโยชน์ในอัลกอริทึมแบบสตรีมสำหรับการค้นหา k อันดับแรก
import heapq
heap = [1, 3, 5, 7, 9]
heapq.heapify(heap)
# heappushpop: push 2, then pop minimum
# More efficient than push + pop separately
result = heapq.heappushpop(heap, 2)
print('heappushpop(2):', result, '| heap:', heap)
# heapreplace: pop minimum, then push new item
# New item does NOT need to be larger (different from heappushpop)
result2 = heapq.heapreplace(heap, 4)
print('heapreplace(4):', result2, '| heap:', heap)
# Use case: maintaining a fixed-size top-k heap
# heappushpop is the standard patternการนำ MaxHeap ไปใช้งานตั้งแต่ต้น
MaxHeapกลับทิศทางการเปรียบเทียบ กล่าวคือ parent ต้องมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับโหนดลูกหลานทั้งหมด เพียงกลับทิศทางการเปรียบเทียบในการเลื่อนขึ้นและการเลื่อนลง อีกทางเลือกหนึ่งคือห่อหุ้มค่าไว้ในคลาสที่ทำการทำให้เป็นค่าติดลบ หรือทำให้จำนวนเต็มติดลบเช่นเดียวกับที่ทำกับ heapq ของไพธอน การสร้างตั้งแต่ต้นแสดงให้เห็นว่าฮีปต่ำสุดและฮีปสูงสุดมีโครงสร้างเหมือนกัน ต่างกันเพียงตัวดำเนินการเปรียบเทียบเท่านั้น
class MaxHeap:
def __init__(self):
self._data = []
def push(self, val):
self._data.append(val)
i = len(self._data) - 1
while i > 0:
p = (i - 1) // 2
if self._data[p] < self._data[i]: # FLIP: parent < child = violation
self._data[p], self._data[i] = self._data[i], self._data[p]
i = p
else: break
def pop(self):
if not self._data: return None
if len(self._data) == 1: return self._data.pop()
result = self._data[0]
self._data[0] = self._data.pop()
i, n = 0, len(self._data)
while True:
g = i; l, r = 2*i+1, 2*i+2
if l < n and self._data[l] > self._data[g]: g = l # FLIP
if r < n and self._data[r] > self._data[g]: g = r # FLIP
if g == i: break
self._data[i], self._data[g] = self._data[g], self._data[i]; i = g
return result
h = MaxHeap()
for v in [5, 3, 8, 1, 4, 2]: h.push(v)
print([h.pop() for _ in range(6)]) # [8,5,4,3,2,1]ลบองค์ประกอบใดก็ได้จากฮีป
การลบองค์ประกอบใด ๆ (ที่ไม่ใช่ราก) จากฮีปใช้เวลา O(log n) แต่จำเป็นต้องทราบดัชนีขององค์ประกอบนั้น ให้แทนที่องค์ประกอบด้วยองค์ประกอบสุดท้าย ลบองค์ประกอบสุดท้ายออก จากนั้นเลื่อนองค์ประกอบที่นำมาแทนขึ้นหรือลง (มีเพียงทิศทางเดียวเท่านั้นที่จะละเมิดคุณสมบัติของฮีป) เทคนิคนี้ใช้ในอัลกอริทึมของไดค์สตราที่มีการลบแบบเลื่อนเวลา และในคิวลำดับความสำคัญที่รองรับการดำเนินการลดคีย์
def delete_at_index(heap, i):
n = len(heap)
heap[i] = heap[n - 1]
heap.pop()
if i >= len(heap):
return # deleted the last element
# Try sift-up first
p = (i - 1) // 2
if i > 0 and heap[i] < heap[p]:
while i > 0:
p = (i - 1) // 2
if heap[p] > heap[i]:
heap[p], heap[i] = heap[i], heap[p]; i = p
else: break
else: # sift down
j = i; n2 = len(heap)
while True:
s = j; l, r = 2*j+1, 2*j+2
if l < n2 and heap[l] < heap[s]: s = l
if r < n2 and heap[r] < heap[s]: s = r
if s == j: break
heap[j], heap[s] = heap[s], heap[j]; j = s
heap = [1, 3, 2, 7, 4, 5, 6]
print('Before:', heap)
delete_at_index(heap, 2) # delete element at index 2 (value=2)
print('After:', heap) # 2 removed, heap still validองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุด K อันดับแรกในฮีป
องค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุด K อันดับแรก (LeetCode #347) ใช้ฮีปต่ำสุดขนาด k รักษาฮีปต่ำสุดที่แต่ละรายการมีรูปแบบ (frequency, element) ประมวลผลองค์ประกอบที่ไม่ซ้ำกันแต่ละรายการ: หากฮีปมีองค์ประกอบน้อยกว่า k รายการ ให้ push หากไม่ใช่ และความถี่ขององค์ประกอบใหม่มากกว่าค่าต่ำสุดในฮีป ให้ pop แล้ว push องค์ประกอบใหม่ ฮีปสุดท้ายจะมีองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุด k รายการในเวลา O(n log k)
import heapq
from collections import Counter
def top_k_frequent(nums, k):
count = Counter(nums)
# Min-heap of (frequency, num)
heap = []
for num, freq in count.items():
heapq.heappush(heap, (freq, num))
if len(heap) > k:
heapq.heappop(heap) # remove least frequent
return [num for freq, num in heap]
print(top_k_frequent([1,1,1,2,2,3], 2)) # [1, 2]
print(top_k_frequent([4,4,4,3,3,2,1], 2)) # [4, 3]การประยุกต์ใช้ฮีปในการจัดตารางเวลา
นอกเหนือจากการเขียนโปรแกรมแข่งขันแล้ว ฮีปยังเป็นกลไกสำคัญของ ระบบจัดตารางเวลา ในโลกจริง ตัวจัดตารางงานของระบบปฏิบัติการใช้คิวลำดับความสำคัญ (ฮีป) เพื่อเรียกใช้กระบวนการที่พร้อมและมีลำดับความสำคัญสูงสุดก่อนเสมอ การจำลองแบบขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์จะประมวลผลเหตุการณ์ตามลำดับเวลาโดยใช้ฮีปต่ำสุดที่จัดลำดับตามเวลาเหตุการณ์ ตัวจัดตารางแพ็กเก็ตเครือข่ายจะจัดลำดับความสำคัญของการรับส่งข้อมูลตามคลาสคุณภาพการให้บริการ การทำความเข้าใจฮีปจะช่วยให้คุณมีแบบจำลองทางความคิดสำหรับระบบเหล่านี้ทั้งหมด และมักปรากฏในการสัมภาษณ์ด้านการออกแบบระบบเกี่ยวกับคิวและการจัดตารางเวลา
import heapq
# Simple event-driven simulation using a heap
events = [] # (time, event_description)
def schedule(time, event):
heapq.heappush(events, (time, event))
def process_next():
time, event = heapq.heappop(events)
print(f't={time}: {event}')
return time, event
# Schedule events out of order:
schedule(10, 'Send email')
schedule(3, 'Open app')
schedule(7, 'Process request')
schedule(1, 'Start server')
# Process in time order:
while events:
process_next()
# Output: t=1, t=3, t=7, t=10 -- always in time orderตรวจสอบความเข้าใจ
ทดสอบความเข้าใจแนวคิดโครงสร้างข้อมูลและอัลกอริทึม — การเตรียมตัวสัมภาษณ์เขียนโปรแกรมจากบทเรียนนี้
สรุปบทเรียน
ในบทเรียนนี้ คุณได้เรียนรู้เกี่ยวกับ MinHeap และ MaxHeap ตั้งแต่ต้น ด้วยการเลื่อนขึ้นและเลื่อนลง อัลกอริทึม heapify ของฟลอยด์ที่มีความซับซ้อน O(n) และเหตุผลที่มีประสิทธิภาพมากกว่าการแทรกทีละรายการซึ่งมีความซับซ้อน O(n log n) รวมถึง การประยุกต์ใช้จริง เช่น การหาสมาชิกที่พบบ่อยที่สุด k อันดับแรกและการลบตามดัชนี บทถัดไปเราจะสำรวจโมดูล heapq ของไพธอนและเทคนิคการจำลองฮีปสูงสุด
คำถามที่พบบ่อย
บทเรียน “สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น” ฟรีหรือไม่
ใช่ — ข้อความเต็มของ “สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น” ฟรีให้อ่านที่นี่บนเว็บ เพื่อปฏิบัติแบบโต้ตอบ (ตัวแก้ไขโค้ดในตัวและติวเตอร์ AI ตลอด 24/7) และปลดล็อคส่วนที่เหลือของคอร์ส Coding Interview Prep ให้อัปเกรดเป็น CoddyKit PRO คอร์ส Coding Interview Prep มีบทเรียนทั้งหมด 4 บทเรียน
คุณจะเรียนรู้อะไรในบทเรียน “สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น”
สร้างการปรับฮีปขึ้นสำหรับการเลื่อนเข้าและการปรับฮีปลงสำหรับการเลื่อนออก แล้วสร้างฮีปจากอาร์เรย์ที่ไม่เรียงลำดับในเวลา O(n) ด้วยอัลกอริทึมของ Floyd คุณปฏิบัติ Coding Interview Prep ด้วยโค้ดที่ใช้งานได้จริงที่คุณเรียกใช้โดยตรงในเบราว์เซอร์ และติวเตอร์ AI ตลอด 24/7 ตอบคำถามของคุณขณะที่คุณไปผ่านบทเรียน
คุณต้องมีประสบการณ์ก่อนที่จะเริ่มเรียน Coding Interview Prep หรือไม่
ไม่จำเป็นต้องมีประสบการณ์มาก่อน Coding Interview Prep บน CoddyKit ออกแบบมาสำหรับผู้เริ่มต้นไปจนถึงผู้เรียนขั้นสูง คุณสามารถเริ่มต้นที่นี่หรือเริ่มจากตัวแรกและเรียนด้วยความเร็วของคุณเอง นี่คือบทเรียนที่ 2 จากทั้งหมด 4 บทเรียน
บทเรียน “สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น” ใช้เวลานานแค่ไหน
บทเรียน CoddyKit ส่วนใหญ่ใช้เวลาประมาณ 5–10 นาที แต่ละบทเรียนจึงสั้นและเป็นแบบโต้ตอบ คุณสามารถก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องและกลับมาเรียนต่อจากตรงที่เพิ่งหยุดบนเว็บและแอปได้เลย
ฉันเขียนและรันโค้ดในบทเรียน Coding Interview Prep นี้ได้ไหม
ได้ บทเรียน Coding Interview Prep ทุกบทมีตัวแก้ไขโค้ดในตัว คุณจึงเขียนและรันโค้ดจริงได้เลยในเบราว์เซอร์ และได้รับข้อเสนอแนะจาก AI ในทันที — ไม่ต้องติดตั้งในเครื่องของคุณ
บทเรียนทั้งหมดในหลักสูตรนี้
- คุณสมบัติฮีปและการแทนด้วยอาร์เรย์
- สร้างฮีป เลื่อนเข้า และเลื่อนออกตั้งแต่ต้น
- heapq ของ Python และเทคนิคฮีปสูงสุด
- มัธยฐานจากกระแสข้อมูลและการผสาน k ทาง