C语言怎么用堆解决Topk问题
这篇文章给大家分享的是有关C语言怎么用堆解决Topk问题的内容。小编觉得挺实用的，因此分享给大家做个参考，一起跟随小编过来看看吧。
前言
将详细讲解如何利用小根堆的方法解决TopK问题，这么多数据要处理，
该算法时间复度居然只需
TopK问题
TopK问题介绍：在N个数中找出最大的前K个 （比如在1000个数中找出最大的前10个）
解题方法
方法1：先排降序，前N个就是最大的。
时间复杂度：
方法2：N个数依次插入大堆，HeapPop K次，每次取堆顶的数据，即为前K个。
时间复杂度：
假设N非常大，N是10亿，内存中存不下这些数，它们存在文件中的。K是100，方法1 和 方法2 就都不能用了……
话说 10 亿个整数，大概占用多少空间？
1G = 1024MB
1G = 1024*1024KB
1G = 1024*1024*1024Byte
要占用10亿字节！所以我们来看看方法3。
方法3：
① 用前个K数建立一个K个数的小堆。
② 剩下的N-K个数，依次跟堆顶的数据进行比较。如果比堆顶的数据大，就替换堆顶的数据，再向下调整。
③ 最后堆里面的K个数就是最大的K个数。
时间复杂度：
这里为什么使用小堆而不使用大堆？
最大的前K个数一定会比其他数要大，只要进来的数比堆顶数据大，就替代它。因为是小堆（小的在上大的在下），最大的数进去后一定会沉到下面，所以不可能存在大的数堵在堆顶导致某个数进不去的情况，数越大沉得越深。对应地，如果使用大堆就会出现一个大数堵在堆顶，剩下的数都比这个大数小，导致其他数进不来，最后只能选出最大的那一个。
代码实现与讲解
由于还没开始讲 C++ ，这里我们没法用优先级队列，我们得手动自己写一个堆来使用。当然，如果自己懒得写，以下是 C语言 实现堆的代码。
Heap.h
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#pragma once#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <assert.h>#include <stdbool.h> typedef int HPDataType; typedef struct Heap { HPDataType* array; //指向动态开辟的数组 int size; //有效数据的个数 int capacity; //容量空间的大小} HP; void HeapInit(HP* php); void HeapDestroy(HP* php); void HeapPrint(HP* php); bool HeapIfEmpty(HP* hp); void HeapPush(HP* php, HPDataType x); void HeapCheckCapacity(HP* php); void Swap(HPDataType* px, HPDataType* py); void BigAdjustUp(int* arr, int child); void SmallAdjustUp(int* arr, int child); void HeapPop(HP* php); void SmallAdjustDown(int* arr, int n, int parent); void BigAdjustDown(int* arr, int n, int parent); HPDataType HeapTop(HP* php); int HeapSize(HP* php);Heap.c
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include "Heap.h" void HeapInit(HP* php) { assert(php); php->array = NULL; php->size = php->capacity = 0;} void HeapDestroy(HP* php) { assert(php); free(php->array); php->capacity = php->size = 0;} void HeapPrint(HP* php) { for (int i = 0; i < php->size; i++) { printf("%d ", php->array[i]); } printf("\n");} bool HeapIfEmpty(HP* php) { assert(php); return php->size == 0; // 如果为size为0则表示堆为空} void HeapCheckCapacity(HP* php) { if (php->size == php->capacity) { int newCapacity = php->capacity == 0 ? 4 : (php->capacity * 2); //第一次给4，其他情况扩2倍 HPDataType* tmpArray = (HPDataType*)realloc(php->array, sizeof(HPDataType) * newCapacity); // 数组扩容 if (tmpArray == NULL) { //检查realloc printf("realloc failed!\n"); exit(EXIT_FAILURE); } //更新他们的大小 php->array = tmpArray; php->capacity = newCapacity; } } void Swap(HPDataType* px, HPDataType* py) { HPDataType tmp = *px; *px = *py; *py = tmp; } void BigAdjustUp(int* arr, int child) { assert(arr); // 首先根据公式计算算出父亲的下标 int parent = (child - 1) / 2; // 最坏情况:调到根，child=parent 当child为根节点时结束（根节点永远是0） while (child > 0) { if (arr[child] > arr[parent]) { // 如果孩子大于父亲（不符合堆的性质） // 交换他们的值 Swap(&arr[child], &arr[parent]); // 往上走 child = parent; parent = (child - 1) / 2; } else { // 如果孩子小于父亲（符合堆的性质） // 跳出循环 break; } } } void SmallAdjustUp(int* arr, int child) { assert(arr); // 首先根据公式计算算出父亲的下标 int parent = (child - 1) / 2; // 最坏情况:调到根，child=parent 当child为根节点时结束（根节点永远是0） while (child > 0) { if (arr[child] < arr[parent]) { // 如果孩子大于父亲（不符合堆的性质） // 交换他们的值 Swap(&arr[child], &arr[parent]); // 往上走 child = parent; parent = (child - 1) / 2; } else { // 如果孩子小于父亲（符合堆的性质） // 跳出循环 break; } } }void HeapPush(HP* php, HPDataType x) { assert(php); // 检查是否需要扩容 HeapCheckCapacity(php); // 插入数据 php->array[php->size] = x; php->size++; // 向上调整 [目标数组，调整位置的起始位置（刚插入的数据）] SmallAdjustUp(php->array, php->size - 1);} void SmallAdjustDown(int* arr, int n, int parent) { int child = parent * 2 + 1; // 默认为左孩子 while (child < n) { // 叶子内 // 选出左右孩子中小的那一个 if (child + 1 < n && arr[child + 1] < arr[child]) { child++; } if (arr[child] < arr[parent]) { // 如果孩子小于父亲（不符合小堆的性质） // 交换它们的值 Swap(&arr[child], &arr[parent]); // 往下走 parent = child; child = parent * 2 + 1; } else { // 如果孩子大于父亲（符合小堆的性质） // 跳出循环 break; } } } void BigAdjustDown(int* arr, int n, int parent) { int child = parent * 2 + 1; // 默认为左孩子 while (child < n) { // 叶子内 // 选出左右孩子中大的那一个 if (child + 1 < n && arr[child + 1] > arr[child]) { child++; } if (arr[child] > arr[parent]) { // 如果孩子大于父亲（不符合大堆的性质） // 交换它们的值 Swap(&arr[child], &arr[parent]); // 往下走 parent = child; child = parent * 2 + 1; } else { // 如果孩子小于父亲（符合大堆的性质） // 跳出循环 break; } } }void HeapPop(HP* php) { assert(php); assert(!HeapIfEmpty(php)); // 删除数据 Swap(&php->array[0], &php->array[php->size - 1]); php->size--; // 向下调整 [目标数组，数组的大小，调整位置的起始位置] SmallAdjustDown(php->array, php->size, 0);} HPDataType HeapTop(HP* php) { assert(php); assert(!HeapIfEmpty(php)); return php->array[0];} int HeapSize(HP* php) { assert(php); return php->size;}第三种方法的参考代码：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#include "Heap.h" void PrintTopK(int* arr, int N, int K) { HP hp; // 创建堆 HeapInit(&hp); // 初始化堆 for (int i = 0; i < K; i++) { // Step1: 创建一个K个数的小堆 HeapPush(&hp, arr[i]); } for (int i = K; i < N; i++) { // Step2: 剩下的N-K个数跟堆顶的数据比较 if (arr[i] > HeapTop(&hp)) { // 如果比堆顶的数据大就替换进堆 HeapPop(&hp); // 此数确实比堆顶大，删除堆顶 HeapPush(&hp, arr[i]); // 将此数推进堆中，数越大下沉越深 } } HeapPrint(&hp); // 打印K个数的堆 HeapDestroy(&hp); // 销毁堆} void TestTopK() { int N = 1000000; int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * N); srand(time(0)); // 置随机数种子 for(size_t i = 0; i < N; i++) { // 产生随机数，每次产生的随机数都mod100w，这样产生的数一定是小于100w的 arr[i] = rand() % 1000000; } // 再去设置10个比100w大的数 arr[5] = 1000000 + 1;arr[1231] = 1000000 + 2;arr[5355] = 1000000 + 3;arr[51] = 1000000 + 4;arr[15] = 1000000 + 5;arr[2335] = 1000000 + 6;arr[9999] = 1000000 + 7;arr[76] = 1000000 + 8;arr[423] = 1000000 + 9;arr[3144] = 1000000 + 10; PrintTopK(arr, N, 10); //测试用，所以给10个} int main(void) { TestTopK(); return 0;}运行结果
函数解读
PrintTopK 解读
① 准备好我们实现好的堆之后，我们就可以写TopK的算法了。我们创建一个 PrintTopK 函数，函数需要接收存放数据的数组、数组的大小（N）和要找前多少个（K）。
② 首先创建一个堆，用来存放K 。按照规矩我们先把 HeapInit（初始化）和 HeapDestroy（销毁）先写好，防止自己不小心忘记销毁。
③ 核心步骤1：创建一个K个数的小堆，我们直接用 for 循环将数组中前K个值先逐个 HeapPush （堆的插入）进去。
这里不代表最后的结果，我们只是相当于 "默认" 认为这前K个数是最大的，方便我们后续进行比较替代。经过 HeapPush （堆的插入）后，这些数据会通过 SmallAdjustDown （小堆下调接口） 对数据进行相应的调整：
for (int i = 0; i < K; i++) { // Step1: 创建一个K个数的小堆 HeapPush(&hp, arr[i]);}④ 核心步骤2：除去K，将剩下的N-K个数据进行比较。我们再利用 for 循环将数组中剩下的N-K个数据进行遍历。
这里逐个进行判断，如果该数堆顶的数据 i＜K(max)，我们就进行替换操作。调用 HeapPop（堆的删除）删除堆顶的数据，给 让位。之后将其 HeapPush （堆的插入）推到堆中，就完成了替换的工作。值得一提的是，我们还可以不调用 Pop 和 Push 这两个操作，手动进行替换。hp.array [ 0 ] 就表示栈顶，我们将 赋值给它，随后再手动进行 SmallAdjustDown （小堆下调操作），传入相应的值即可：
for (int i = K; i < N; i++) { // Step2: 剩下的N-K个数跟堆顶的数据比较 if (arr[i] > HeapTop(&hp)) { // 如果比堆顶的数据大就替换进堆 HeapPop(&hp); // 此数确实比堆顶大，删除堆顶 HeapPush(&hp, arr[i]); // 将此数推进堆中，数越大下沉越深 }}⑤ 当 for 遍历完所有数据之后，小堆中就保留了N个数据中最大的前K个数了。此时我们调用堆打印接口将小堆里的数据打印出来就大功告成了。
TestTopK 解读
① 这是用来测试我们写的TopK算法的函数。设置 N 的大小为 100w，动态内存开辟一块可以存下这么多数据的空间：
int N = 1000000;int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * N);② 随后根据时间来置随机数种子，将每个元素都进行随机数的填充，每次产生的随机数都模上100w，这样可以保证产生的随机数一定是小于100w的。
srand(time(0));for(size_t i = 0; i < N; i++) { arr[i] = rand() % 1000000; }③ 随便写几个大于100w的数，便于测试：
// 再去设置10个比100w大的数arr[5] = 1000000 + 1;arr[1231] = 1000000 + 2;arr[5355] = 1000000 + 3;arr[51] = 1000000 + 4;arr[15] = 1000000 + 5;arr[2335] = 1000000 + 6;arr[9999] = 1000000 + 7;arr[76] = 1000000 + 8;arr[423] = 1000000 + 9;arr[3144] = 1000000 + 10;④ 调用我们刚才实现好的 PrintTopK 函数，递交对应的参数后就可以进行测试了。这里为了方便测试，我们的K设置为10：
PrintTopK(arr, N, 10);感谢各位的阅读！关于“C语言怎么用堆解决Topk问题”这篇文章就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，让大家可以学到更多知识，如果觉得文章不错，可以把它分享出去让更多的人看到吧！
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