开篇
在 Golang 的标准库 container 中，包含了几种常见的数据结构的实现，其实是非常好的学习材料，我们可以从中回顾一下经典的数据结构，看看 Golang 的官方团队是如何思考的。
- container/list 双向链表；
- container/ring 循环链表；
- container/heap 堆。
今天我们就来看看 container/heap 的源码，了解一下官方的同学是怎么设计，我们作为开发者又该如何使用。
container/heap
包 heap 为所有实现了 heap.Interface 的类型提供堆操作。 一个堆即是一棵树， 这棵树的每个节点的值都比它的子节点的值要小， 而整棵树最小的值位于树根（root）， 也即是索引 0 的位置上。
堆是实现优先队列的一种常见方法。 为了构建优先队列， 用户在实现堆接口时， 需要让 Less() 方法返回逆序的结果， 这样就可以在使用 Push 添加元素的同时， 通过 Pop 移除队列中优先级最高的元素了。
heap 是实现优先队列的常见方式。Golang 中的 heap 是最小堆，需要满足两个特点：
- 堆中某个结点的值总是不小于其父结点的值；
- 堆总是一棵完全二叉树。
所以，根节点就是 heap 中最小的值。
有一个很有意思的现象，大家知道，Golang 此前是没有泛型的，作为一个强类型的语言，要实现通用的写法一般会采用【代码生成】或者【反射】。
而作为官方包，Golang 希望提供给大家一种简单的接入方式，官方提供好算法的内核，大家接入就 ok。采用的是定义一个接口，开发者来实现的方式。
在 container/heap 包中，我们一上来就能找到这个 Interface 定义：
// The Interface type describes the requirements
// for a type using the routines in this package.
// Any type that implements it may be used as a
// min-heap with the following invariants (established after
// Init has been called or if the data is empty or sorted):
//
// !h.Less(j, i) for 0 <= i < h.Len() and 2*i+1 <= j <= 2*i+2 and j < h.Len()
//
// Note that Push and Pop in this interface are for package heap's
// implementation to call. To add and remove things from the heap,
// use heap.Push and heap.Pop.
type Interface interface {
sort.Interface
Push(x any) // add x as element Len()
Pop() any // remove and return element Len() - 1.
}
除了 Push 和 Pop 两个堆自己的方法外，还内置了一个 sort.Interface：
type Interface interface {
Len() int
Less(i, j int) bool
Swap(i, j int)
}
核心函数
Init
作为开发者，我们基于自己的结构体，实现了 container/heap.Interface，该怎么用呢？
首先需要调用 heap.Init(h Interface) 方法，传入我们的实现：
// Init establishes the heap invariants required by the other routines in this package.
// Init is idempotent with respect to the heap invariants
// and may be called whenever the heap invariants may have been invalidated.
// The complexity is O(n) where n = h.Len().
func Init(h Interface) {
// heapify
n := h.Len()
for i := n/2 - 1; i >= 0; i-- {
down(h, i, n)
}
}
在执行任何堆操作之前， 必须对堆进行初始化。 Init 操作对于堆不变性（invariants）具有幂等性， 无论堆不变性是否有效， 它都可以被调用。
Init 函数的复杂度为 O(n) ， 其中 n 等于 h.Len() 。
Pop/Push
作为堆，当然需要实现【插入】和【弹出】这两个能力，这里 any 其实就是 interface{}
// Push pushes the element x onto the heap.
// The complexity is O(log n) where n = h.Len().
func Push(h Interface, x any) {
h.Push(x)
up(h, h.Len()-1)
}
// Pop removes and returns the minimum element (according to Less) from the heap.
// The complexity is O(log n) where n = h.Len().
// Pop is equivalent to Remove(h, 0).
func Pop(h Interface) any {
n := h.Len() - 1
h.Swap(0, n)
down(h, 0, n)
return h.Pop()
}
- Push 函数将值为 x 的元素推入到堆里面，该函数的复杂度为 O(log(n)) 。
- Pop 函数根据 Less 的结果， 从堆中移除并返回具有最小值的元素， 等同于执行 Remove(h, 0)，复杂度为 O(log(n))。（n 等于 h.Len() ）
Remove
// Remove removes and returns the element at index i from the heap.
// The complexity is O(log n) where n = h.Len().
func Remove(h Interface, i int) any {
n := h.Len() - 1
if n != i {
h.Swap(i, n)
if !down(h, i, n) {
up(h, i)
}
}
return h.Pop()
}
Remove 函数移除堆中索引为 i 的元素，复杂度为 O(log(n))
Fix
有时候我们改变了堆上的元素，需要重新排序。这时候就可以用 Fix 来完成。
这里需要注意：
- 【先修改索引 i 上的元素的值然后再执行 Fix】
- 【先调用 Remove(h, i) 然后再使用 Push 操作将新值重新添加到堆里面】
二者具有同等的效果。但 Fix 的成本会小一些。复杂度为 O(log(n))。
// Fix re-establishes the heap ordering after the element at index i has changed its value.
// Changing the value of the element at index i and then calling Fix is equivalent to,
// but less expensive than, calling Remove(h, i) followed by a Push of the new value.
// The complexity is O(log n) where n = h.Len().
func Fix(h Interface, i int) {
if !down(h, i, h.Len()) {
up(h, i)
}
}
如何接入
将自定义结构实现上面的 heap.Interface 接口后，先进行 Init，随后调用上面我们提到的 Push / Pop / Remove / Fix 即可。其实大多数情况下用前两个就足够了，我们直接看两个例子。
IntHeap
先来看一个简单例子，基于整型 integer 实现一个最小堆。
- 首先定义一个自己的类型，在这个例子中是 int，所以这一步跳过；
- 定义一个 Heap 类型，这里我们使用
type IntHeap []int； - 实现自定义 Heap 类型的 5 个方法，三个 sort 的，加上 Push 和 Pop。
有了实现，我们 Init 后就可以 Push 进去元素了，这里我们初始化 2,1,5，又 push 了个 3，最后打印结果完美按照从小到大输出。
// This example demonstrates an integer heap built using the heap interface.
package main
import (
"container/heap"
"fmt"
)
// An IntHeap is a min-heap of ints.
type IntHeap []int
func (h IntHeap) Len() int { return len(h) }
func (h IntHeap) Less(i, j int) bool { return h[i] < h[j] }
func (h IntHeap) Swap(i, j int) { h[i], h[j] = h[j], h[i] }
func (h *IntHeap) Push(x any) {
// Push and Pop use pointer receivers because they modify the slice's length,
// not just its contents.
*h = append(*h, x.(int))
}
func (h *IntHeap) Pop() any {
old := *h
n := len(old)
x := old[n-1]
*h = old[0 : n-1]
return x
}
// This example inserts several ints into an IntHeap, checks the minimum,
// and removes them in order of priority.
func main() {
h := &IntHeap{2, 1, 5}
heap.Init(h)
heap.Push(h, 3)
fmt.Printf("minimum: %d\n", (*h)[0])
for h.Len() > 0 {
fmt.Printf("%d ", heap.Pop(h))
}
}
Output：
minimum: 1
1 2 3 5
优先队列
官方也给出了实现优先队列的方法，我们需要一个 priority 作为权值，加上 value。
- Value 表示元素值
- Priority 用于排序
- Index 元素在对上的索引值，用于更新元素的操作。
// This example demonstrates a priority queue built using the heap interface.
package main
import (
"container/heap"
"fmt"
)
// An Item is something we manage in a priority queue.
type Item struct {
value string // The value of the item; arbitrary.
priority int // The priority of the item in the queue.
// The index is needed by update and is maintained by the heap.Interface methods.
index int // The index of the item in the heap.
}
// A PriorityQueue implements heap.Interface and holds Items.
type PriorityQueue []*Item
func (pq PriorityQueue) Len() int { return len(pq) }
func (pq PriorityQueue) Less(i, j int) bool {
// We want Pop to give us the highest, not lowest, priority so we use greater than here.
return pq[i].priority > pq[j].priority
}
func (pq PriorityQueue) Swap(i, j int) {
pq[i], pq[j] = pq[j], pq[i]
pq[i].index = i
pq[j].index = j
}
func (pq *PriorityQueue) Push(x any) {
n := len(*pq)
item := x.(*Item)
item.index = n
*pq = append(*pq, item)
}
func (pq *PriorityQueue) Pop() any {
old := *pq
n := len(old)
item := old[n-1]
old[n-1] = nil // avoid memory leak
item.index = -1 // for safety
*pq = old[0 : n-1]
return item
}
// update modifies the priority and value of an Item in the queue.
func (pq *PriorityQueue) update(item *Item, value string, priority int) {
item.value = value
item.priority = priority
heap.Fix(pq, item.index)
}
// This example creates a PriorityQueue with some items, adds and manipulates an item,
// and then removes the items in priority order.
func main() {
// Some items and their priorities.
items := map[string]int{
"banana": 3, "apple": 2, "pear": 4,
}
// Create a priority queue, put the items in it, and
// establish the priority queue (heap) invariants.
pq := make(PriorityQueue, len(items))
i := 0
for value, priority := range items {
pq[i] = &Item{
value: value,
priority: priority,
index: i,
}
i++
}
heap.Init(&pq)
// Insert a new item and then modify its priority.
item := &Item{
value: "orange",
priority: 1,
}
heap.Push(&pq, item)
pq.update(item, item.value, 5)
// Take the items out; they arrive in decreasing priority order.
for pq.Len() > 0 {
item := heap.Pop(&pq).(*Item)
fmt.Printf("%.2d:%s ", item.priority, item.value)
}
}
Output
05:orange 04:pear 03:banana 02:apple
按时间戳排序
package util
import (
"container/heap"
)
type TimeSortedQueueItem struct {
Time int64
Value interface{}
}
type TimeSortedQueue []*TimeSortedQueueItem
func (q TimeSortedQueue) Len() int { return len(q) }
func (q TimeSortedQueue) Less(i, j int) bool { return q[i].Time < q[j].Time }
func (q TimeSortedQueue) Swap(i, j int) { q[i], q[j] = q[j], q[i] }
func (q *TimeSortedQueue) Push(v interface{}) {
*q = append(*q, v.(*TimeSortedQueueItem))
}
func (q *TimeSortedQueue) Pop() interface{} {
n := len(*q)
item := (*q)[n-1]
*q = (*q)[0 : n-1]
return item
}
func NewTimeSortedQueue(items ...*TimeSortedQueueItem) *TimeSortedQueue {
q := make(TimeSortedQueue, len(items))
for i, item := range items {
q[i] = item
}
heap.Init(&q)
return &q
}
func (q *TimeSortedQueue) PushItem(time int64, value interface{}) {
heap.Push(q, &TimeSortedQueueItem{
Time: time,
Value: value,
})
}
func (q *TimeSortedQueue) PopItem() interface{} {
if q.Len() == 0 {
return nil
}
return heap.Pop(q).(*TimeSortedQueueItem).Value
}
这里我们封装了一个 TimeSortedQueue，里面包含一个时间戳，以及我们实际的值。实现之后，就可以暴露对外的 NewTimeSortedQueue 方法用来初始化，这里调用 heap.Init。
同时做一层简单的封装就可以对外使用了。
总结
Go语言中heap的实现采用了一种 “模板设计模式”，用户实现自定义堆时，只需要实现heap.Interface接口中的函数，然后应用heap.Push、heap.Pop等方法就能够实现想要的功能，堆管理方法是由Go实现好的，存放在heap中。
到此这篇关于深入了解Golang官方container/heap用法的文章就介绍到这了,更多相关Golang container/heap用法内容请搜索编程网以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程网！
