Реализация очереди по приоритету при помощи сортирующего дерева

Код интерфейса результирующей очереди по приоритету, в которой используется сортирующее дерево и которая реализована при помощи структуры TList, приведен в листинге 9.3.

Листинг 9.3. Интерфейс класса TtdPriorityQueue

type

TtdPriorityQueue = class private

FCompare : TtdCompareFunc;

FDispose : TtdDisposeProc;

FList : TList;

FName : TtdNameString;

protected

function pqGetCount : integer;

procedure pqError(aErrorCode : integer;

const aMethodName : TtdNameString);

procedure pqBubbleUp(aFromInx : integer);

procedure pqTrickleDown;

procedure pqTrickleDownStd;

public

constructor Create(aCompare : TtdCompareFunc;

aDispose : TtdDisposeProc );

destructor Destroy; override;

procedure Clear;

function Dequeue : pointer;

procedure Enqueue(aItem : pointer);

function Examine : pointer;

function IsEmpty : boolean;

property Count : integer read pqGetCount;

property Name : TtdNameString read FName write FName;

end;

Реализация и конструктора Create, и деструктора Destroy достаточно проста: первый должен создавать экземпляр TList, а второй должен всего лишь освобождать внутренний объект TList. Подобно стандартной очереди, конструктор Create нуждается в процедуре удаления элемента, позволяющей при необходимости освобождать элементы. Но, в отличие от стандартной очереди, теперь нам требуется процедура сравнения, позволяющая определить больший из двух элементов.

Листинг 9.4. Конструктор и деструктор очереди по приоритету

constructor TtdPriorityQueue.Create(aCompare : TtdCompareFunc;

aDispose : TtdDisposeProc);

begin

inherited Create;

if not Assigned(aCompare) then

pqError(tdePriQueueNoCompare, 'Create');

FCompare := aCompare;

FDispose :=aDispose;

FList := TList.Create;

end;

destructor TtdPriorityQueue.Destroy;

begin

Clear;

FList.Free;

inherited Destroy;

end;

Код реализации алгоритма вставки и процедуры, выполняющей реальную операцию пузырькового подъема, показан в листинге 9.5. Операция вставки реализована так, чтобы гарантировать размещение наибольшего элемента в корневом узле. Этот тип очереди по приоритету обычно называют пирамидальной сортировкой выбором максимального элемента (max‑heap). Если изменить процедуру сравнения так, чтобы она возвращала отрицательное число, если первый элемент больше второго, в корневом узле очереди по приоритету будет располагаться наименьший элемент. Такая сортировка называется пирамидальной сортировкой выбором наименьшего элемента (min‑heap).

Листинг 9.5. Вставка в TtdPriorityQueue: постановка в очередь

procedure TtdPriorityQueue.pqBubbleUp(aFromInx : integer);

var

ParentInx : integer;

Item : pointer;

begin

Item := FList.List^ [aFromInx];

{если анализируемый элемент больше своего родительского элемента, необходимо поменять его местами с родительским элементом и продолжить процесс из новой позиции элемента}

{Примечание: родительский узел узла, имеющего индекс n, располагается в позиции (n‑1)/2}

ParentInx := (aFromInx ‑ 1) div 2;

{если данный элемент имеет родительский узел и больше родительского элемента...}

while (aFromInx > 0) and (FCompare(Item, FList.List^[ParentInx]) > 0) do

begin

{необходимо переместить родительский элемент вниз по дереву}

FList.List^[aFromInx] := FList.List^[ParentInx];

aFromInx := ParentInx;

ParentInx := (aFromInx ‑ 1) div 2;

end;

{сохранить элемент в правильной позиции}

FList.List^[aFromInx] := Item;

end;

procedure TtdPriorityQueue.Enqueue(aItem : pointer);

begin

{добавить элемент в конец списка и выполнить его пузырьковый подъем на максимально возможный уровень}

FList.Add(aItem);

pqBubbleup(pred(FList.Count));

end;

В листинге 9.6 приведен фрагмент кода, реализующий последнюю часть очереди по приоритету: алгоритм удаления и процедуру, которая выполняет операцию просачивания вниз.

Листинг 9.6. Удаление из TtdPriorityQueue: исключение из очереди

procedure TtdPriorityQueue.pqTrickleDownStd;

var

FromInx : integer;

ChildInx : integer;

MaxInx : integer;

Item : pointer;

begin

FromInx := 0;

Item := FList.List^[0];

MaxInx := FList.Count ‑ 1;

{если анализируемый элемент меньше одного из его дочерних элементов, нужно поменять его местами с большим дочерним элементом и продолжить процесс из новой позиции}

{Примечание: дочерние узлы родительского узла n располагаются в позициях 2n+1 и 2n+2}

ChildInx := (FromInx * 2) + 1;

{если существует по меньшей мере левый дочерний узел...}

while (ChildInx <= MaxInx) do

begin

{если существует также и правый дочерний узел, необходимо вычислить индекс большего дочернего узла}

if (succ(ChildInx) <= MaxInx) and

(FCompare(FList.List^[ChildInx], FList.List^[succ(ChildInx) ]) < 0) then

inc(ChildInx);

{если данный элемент больше или равен большему дочернему элементу, задача выполнена}

if (FCompare(Item, FList.List^[ChildInx]) >= 0) then

Break;

{в противном случае больший дочерний элемент нужно переместить верх по дереву, а сам элемент ‑ вниз по дереву, а затем повторить процесс}

FList.List^[FromInx] := FList.List^[ChildInx];

FromInx := ChildInx;

ChildInx := (FromInx * 2) + 1;

end;

{сохранить элемент в правильной позиции}

FList.List^[FromInx] := Item;

end;

function TtdPriorityQueue.Dequeue : pointer;

begin

{проверить наличие элемента для его исключения из очереди}

if (FList.Count = 0) then

pqError(tdeQueueIsEmpty, 'Dequeue');

{вернуть элемент, расположенный в корневом узле}

Result := FList.List^[0];

{если очередь содержала только один элемент, теперь она пуста}

if (FList.Count = 1) then

FList.Count := 0

{если очередь содержала два элемента, достаточно заменить корневой узел единственным оставшимся дочерним узлом; очевидно, что при этом свойство пирамидальности сохраняется}

else

if (FList.Count = 2) then begin

FList.List^[0] := FList.List^[1];

FList.Count := 1;

end

{в противном случае больший дочерний элемент нужно переместить верх по дереву, а сам элемент ‑ вниз по дереву, а затем повторить процесс}

else begin

{заменить корневой узел дочерним узлом, расположенным в нижней правой позиции, уменьшить размер списка, и, наконец, выполнить просачивание корневого элемента вниз на максимальную глубину}

FList.List^[0] := FList.Last;

FList.Count := FList.Count ‑ 1;

pqTrickleDownStd;

end;

end;

Обратите внимание, что на каждом этапе выполнения алгоритма просачивания в процессе перемещения элементов вниз по куче выполняется не более двух сравнений: сравнение двух дочерних элементов с целью определения большего из них и сравнение большего дочернего элемента с родительским элементом для выяснения того, нужно ли их менять местами. По сравнению с операцией пузырькового подъема, когда при подъеме в рамках сортирующего дерева на каждом уровне выполняется только одно сравнение, этот алгоритм выглядит несколько излишне трудоемким. Нельзя ли каким‑то образом улучшить ситуацию?

Роберт Флойд (Robert Floyd) обратил внимание, что первый шаг операции исключения из очереди требует удаления элемента с наивысшим приоритетом и замены его одним из наименьших элементов сортирующего дерева. Этот элемент не обязательно должен быть наименьшим, но в процессе применения алгоритма просачивания он наверняка будет перемещен на один из нижних уровней дерева. Иначе говоря, большинство операций сравнения родительского элемента с его большим дочерним элементом, выполняемое в ходе процесса просачивания, вероятно, лишено особого смысла, поскольку результат сравнения заведомо известен: родительский элемент будет меньше своего большего дочернего элемента. Поэтом

Флойд предложил следующее: при выполнении процесса просачивания полностью отказаться от сравнений родительского элемента с большими дочерними элементами и всегда менять местами родительский элемент и его больший дочерний элемент. Конечно, со временем мы достигнем нижнего уровня сортирующего дерева, и элемент может оказаться в неправильной позиции (другими словами, он может оказаться больше своего родительского элемента). Это не имеет значения, поскольку в этом случае мы просто воспользуемся операцией пузырькового подъема. Поскольку элемент, к которому было применено просачивание, был одним из наименьших в сортирующем дереве, весьма вероятно, что его придется поднимать не слишком высоко, если вообще придется.

Описанная оптимизация приводит к уменьшению количества сравнений, выполняемых во время операции исключения из очереди, примерно в два раза. Если сравнения требуют значительных затрат времени (например, при сравнении строк), эта оптимизация себя оправдывает. Ее применение оправдано также и в нашей реализации очереди по приоритету, в которой мы используем функцию сравнения, а не простое сравнение целых чисел.

Листинг 9.7: Оптимизированная операция просачивания

procedure TtdPriorityQueue.pqTrickleDown;

var

FromInx : integer;

ChildInx : integer;

MaxInx : integer;

Item : pointer;

begin

FromInx := 0;

Item := FList.List^[0];

MaxInx := pred(FList.Count);

{выполнять обмен местами анализируемого элемента и его большего дочернего элемента до тех пор, пока у него не окажется ни одного дочернего элемента}

{Примечание: дочерние элементы родительского узла n располагаются в позициях 2n+1 и 2n+2}

ChildInx := (FromInx * 2) + 1;

{до тех пор, пока существует по меньшей мере левый дочерний элемент...}

while (ChildInx <= MaxInx) do

begin

{если при этом существует также правый дочерний элемент, необходимо вычислять индекс большего дочернего элемента}

if (succ(ChildInx) <= MaxInx) and

(FCompare(FList.List^[ChildInx], FList.List^[succ(ChildInx)]) < 0) then

inc(ChildInx);

{переместить больший дочерний элемент вверх, а данный элемент вниз по дереву и повторить процесс}

FList.List^[FromInx] := FList.List^[ChildInx];

FromInx := ChildInx;

ChildInx := (FromInx * 2) + 1;

end;

{сохранить элемент в той позиции, в которой процесс был прекращен}

FList.List^ [ FromInx ] := Item;

{теперь необходимо выполнить пузырьковый подъем этого элемента вверх по дереву}

pqBubbleUp(FromInx);

end;

Исходный код класса TtdPriorityQueue можно найти на Web‑сайте издательства, в разделе материалов. После выгрузки материалов отыщите среди них файл TDPriQue.pas.