Сортирующее дерево

Классическая структура данных, используемая для создания очереди по приоритету, известна под названием сортирующего дерева (или "кучи"). Сортирующее дерево (heap), на которое еще ссылаются как на частично упорядоченное полное двоичное дерево, ‑ это двоичное дерево с определенными специальными свойствами и несколькими специальными операциями. (Не путайте эту "кучу" с "кучей", используемой в среде Delphi, ‑областью памяти, в которой выполняется все распределение памяти.)

Рисунок 9.1. Сортирующее дерево

В дереве двоичного поиска узлы организованы так, что каждый узел больше своего левого дочернего узла и меньше своего правого дочернего узла. Такое упорядочение называется строгим. В сортирующем дереве используется менее строгое упорядочение, называемое пирамидальным свойством. Пирамидальное свойство означает всего лишь, что любой узел в дереве должен быть больше обоих его дочерних узлов. Обратите внимание, что пирамидальное свойство ничего не говорит о порядке дочерних узлов данного узла. Например, оно не утверждает, что левый дочерний узел должен быть меньше правого дочернего узла.

Сортирующее дерево обладает еще одним атрибутом: двоичное дерево должно быть полным. Двоичное дерево называется полным, когда все его уровни, за исключением, быть может, последнего, заполнены. В последнем уровне все узлы размещаются максимально сдвинутыми влево. Полное дерево является максимально сбалансированным. Полное двоичное дерево показано на рис. 9.1.

Так как же эта структура может помочь в наших поисках идеальной структуры очереди по приоритету? Что ж, операции вставки и удаления при использовании сортирующего дерева являются операциями типа O(log(n)), но они выполняются значительно быстрее, чем эти же операции в дереве двоичного поиска, независимо от того, является ли оно сбалансированным. Это тот случай, когда О‑нотация оказывается неприемлемой ‑ она не позволяет количественно определить, какая из двух операций с одним и тем же значением О большого действительно выполняется быстрее.

Вставка в сортирующее дерево

Рассмотрим алгоритмы вставки и удаления. Вначале ознакомимся со вставкой. Чтобы вставить элемент в сортирующее дерево, мы добавляем его в конец этого дерева, в единственную позицию, которая соответствует требованию полноты (на рис. 5 этой позицией была бы позиция правого дочернего узла пятого узла).

Этот атрибут сортирующего дерева сохраняется. При этом может быть нарушен второй атрибут ‑ пирамидальность. Новый узел может быть большего своего родительского узла, поэтому потребуется исправить дерево и восстановить свойство пирамидальности.

Если этот новый дочерний узел больше своего родительского узла, мы меняем его местами с родительским узлом. В своей новой позиции новый узел может быть все же больше своего нового родительского узла, и поэтому их нужно снова поменять местами. Мы продолжаем такое перемещение по сортирующему дереву до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой новый узел не больше родительского узла или пока не достигнем корневого узла дерева. Выполнение упомянутого алгоритма обеспечивает, чтобы все узлы были больше обоих своих дочерних узлов, и, таким образом, свойство пирамидальности восстанавливается. Этот алгоритм называется алгоритмом пузырькового подъема (bubble up), поскольку новый узел подобно пузырьку воздуха "всплывает" вверх, пока не попадает в требуемую позицию (либо в позиции корневого узла, либо под узлом, который больше него).

По существу, свойство пирамидальности гарантирует размещение наибольшего элемента в позиции корневого узла. Это достаточно легко доказать: если бы наибольший элемент размещался не в позиции корневого узла, он имел бы родительский узел. Поскольку он является наибольшим элементом, мы были бы вынуждены заключить, что он больше своего родительского узла, ‑ а это является нарушением свойства пирамидальности. Следовательно, первоначальное предположение, что наибольший узел размещается не в позиции корневого узла, неверно.