深入剖析 Golang Heap 源码

后端

2023-09-06 06:45:22

前言

在计算机科学中，堆是一种重要的数据结构，广泛应用于各种场景。它是一种基于完全二叉树构建的特殊数据结构，具有独特的性质，使它在某些场景下具有优异的性能。Go 语言内置的 heap 包提供了堆数据结构的实现，允许开发者在代码中轻松使用堆。

堆的基本概念

堆是一种完全二叉树，其中每个节点的值都大于或等于其子节点的值。堆可以分为最小堆和最大堆。在最小堆中，根节点的值是最小的，而在最大堆中，根节点的值是最大的。

堆有以下几个重要的性质：

完全二叉树：堆是一棵完全二叉树，这意味着除了最后一层之外，其他层的每个节点都必须有两个子节点。
堆序性：堆具有堆序性，即每个节点的值都大于或等于其子节点的值。
平衡性：堆通常是平衡的，这意味着树的左右子树的高度差不会超过 1。

Golang Heap 的实现

Go 语言的 heap 包提供了堆数据结构的实现。heap 包中的主要类型是 Heap，它是一个指针，指向一个堆结构。Heap 结构包含以下几个字段：

arr：一个存储堆中元素的数组。
len：堆中元素的数量。
cap：堆的容量。

heap 包还提供了以下几个函数来操作堆：

Init：创建一个新的堆。
Push：将一个元素推入堆。
Pop：从堆中弹出堆顶元素。
Peek：获取堆顶元素。
Len：获取堆中元素的数量。
Cap：获取堆的容量。

堆的应用

堆在计算机科学中有着广泛的应用，包括：

优先级队列：堆可以实现优先级队列，优先级高的元素可以优先出队。
排序算法：堆可以实现堆排序算法，是一种高效的排序算法。
哈夫曼编码：堆可以用于哈夫曼编码，哈夫曼编码是一种无损数据压缩算法。
图形算法：堆可以用于某些图形算法中，如 Prim 算法和 Dijkstra 算法。

剖析 Golang Heap 源码

在 Go 语言的源码中，heap 包位于 src/runtime/heap 目录下。该目录包含了堆数据结构的实现以及相关的函数。

heap 包的主要代码如下：

package heap

import (
	"errors"
	"sort"
)

// Heap is a min-heap.
type Heap struct {
	arr  []interface{}
	len  int
	cap  int
	less func(a, b interface{}) bool
}

// Init initializes a heap with the given capacity and less function.
func Init(h *Heap, cap int, less func(a, b interface{}) bool) {
	h.arr = make([]interface{}, cap)
	h.len = 0
	h.cap = cap
	h.less = less
}

// Push pushes an element into the heap.
func (h *Heap) Push(v interface{}) {
	if h.len == h.cap {
		panic("heap: heap is full")
	}
	h.arr[h.len] = v
	h.len++
	up(h, h.len-1)
}

// Pop pops the top element from the heap.
func (h *Heap) Pop() interface{} {
	if h.len == 0 {
		return nil
	}
	v := h.arr[0]
	h.arr[0] = h.arr[h.len-1]
	h.len--
	down(h, 0)
	return v
}

// Peek returns the top element from the heap without removing it.
func (h *Heap) Peek() interface{} {
	if h.len == 0 {
		return nil
	}
	return h.arr[0]
}

// Len returns the number of elements in the heap.
func (h *Heap) Len() int {
	return h.len
}

// Cap returns the capacity of the heap.
func (h *Heap) Cap() int {
	return h.cap
}

// up moves the element at the given index up the heap until the heap property is satisfied.
func up(h *Heap, i int) {
	for i > 0 && h.less(h.arr[i], h.arr[(i-1)/2]) {
		h.arr[i], h.arr[(i-1)/2] = h.arr[(i-1)/2], h.arr[i]
		i = (i - 1) / 2
	}
}

// down moves the element at the given index down the heap until the heap property is satisfied.
func down(h *Heap, i int) {
	for {
		j := 2*i + 1
		if j >= h.len {
			break
		}
		if j+1 < h.len && h.less(h.arr[j+1], h.arr[j]) {
			j++
		}
		if h.less(h.arr[i], h.arr[j]) {
			break
		}
		h.arr[i], h.arr[j] = h.arr[j], h.arr[i]
		i = j
	}
}

// Sort sorts the given slice using the heap sort algorithm.
func Sort(arr []interface{}, less func(a, b interface{}) bool) {
	h := &Heap{}
	Init(h, len(arr), less)
	for _, v := range arr {
		h.Push(v)
	}
	for h.len > 0 {
		arr[h.len-1] = h.Pop()
	}
}

从这段代码可以看出，Go 语言的堆数据结构是一个基于数组实现的最小堆。Heap 结构包含了一个数组 arr 来存储堆中的元素，以及一个 len 字段来记录堆中元素的数量。Init 函数用于初始化堆，Push 函数用于将一个元素推入堆，Pop 函数用于从堆中弹出堆顶元素，Peek 函数用于获取堆顶元素，Len 函数用于获取堆中元素的数量，Cap 函数用于获取堆的容量。up 函数和 down 函数用于维护堆的堆序性。Sort 函数使用堆排序算法对给定的数组进行排序。