Джулиан Бакнелл - Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

property Count : integer read pqGetCount;

end;

constructor TtdSimplePriQueue2.Create(aCompare : TtdCompareFunc);

begin

inherited Create;

FCompare := aCompare;

FList := TList.Create;

end;

destructor TtdSimplePriQueue2.Destroy;

begin

FList.Free;

inherited Destroy;

end;

function TtdSimplePriQueue2.Dequeue : pointer;

begin

Result := FList.Last;

FList.Count := FList.Count - 1;

end;

procedure TtdSimplePriQueue2.Enqueue(aItem : pointer);

var

Inx : integer;

begin

{увеличить количество элементов в списке}

FList.Count := FList.Count + 1;

{определить место помещения нового элемента}

Inx := FList.Count -2;

while (Inx>= 0) and (FCompare(FList.List^ [Inx], aItem) > 0) do

begin

FList.List^[Inx+ 1] := FList.List^[Inx];

dec(Inx);

end;

{поместить элемент в эту позицию}

FList.List^[Inx+1] := aItem

end;

function TtdSimplePriQueue2.pqGetCount : integer;

begin

Result := FList.Count;

end;

Исходный код класса TtdSimplePriQueue2 можно найти на Web-сайте издательства, в разделе материалов. После выгрузки материалов отыщите среди них файл TDPriQue.pas.

В ходе разработки и создания этой усовершенствованной очереди по приоритету мы перешли от быстрой вставки/медленного удаления к медленной вставке/быстрому удалению. Нельзя ли воспользоваться более эффективным алгоритмом?

Еще одна возможность предполагает полный отказ от использования структуры TList и переход к другой структуре данных: дереву двоичного поиска, описанному в главе 8, или списку с пропусками, описанному в главе 6. При использовании обеих этих структур данных и вставка и удаление являются операциями типа O(log(n)). Иначе говоря, время, требуемое как для вставки, так и для удаления элемента, пропорционально логарифму числа элементов в структуре. Однако применение обеих этих структур данных сопряжено с некоторыми сложностями. В отношении списка с пропусками это связано с его вероятностной структурой, а в отношении дерева двоичного поиска - потому, что в ходе вставки и удаления необходимо заботиться о балансировке результирующего дерева. Существует ли какая-то более простая структура данных?

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.

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.