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ja/codes/c/chapter_heap/CMakeLists.txt

@@ -0,0 +1,2 @@
+add_executable(my_heap_test my_heap_test.c)
+add_executable(top_k top_k.c)

ja/codes/c/chapter_heap/my_heap.c

@@ -0,0 +1,152 @@
+/**
+ * File: my_heap.c
+ * Created Time: 2023-01-15
+ * Author: Reanon (793584285@qq.com)
+ */
+
+#include "../utils/common.h"
+
+#define MAX_SIZE 5000
+
+/* 最大ヒープ */
+typedef struct {
+    // size は実際の要素数を表す
+    int size;
+    // あらかじめメモリを確保した配列を使い、拡張を避ける
+    int data[MAX_SIZE];
+} MaxHeap;
+
+// 関数宣言
+void siftDown(MaxHeap *maxHeap, int i);
+void siftUp(MaxHeap *maxHeap, int i);
+int parent(MaxHeap *maxHeap, int i);
+
+/* コンストラクタ。スライスからヒープを構築する */
+MaxHeap *newMaxHeap(int nums[], int size) {
+    // すべての要素をヒープに入れる
+    MaxHeap *maxHeap = (MaxHeap *)malloc(sizeof(MaxHeap));
+    maxHeap->size = size;
+    memcpy(maxHeap->data, nums, size * sizeof(int));
+    for (int i = parent(maxHeap, size - 1); i >= 0; i--) {
+        // 葉ノード以外のすべてのノードをヒープ化
+        siftDown(maxHeap, i);
+    }
+    return maxHeap;
+}
+
+/* デストラクタ */
+void delMaxHeap(MaxHeap *maxHeap) {
+    // メモリを解放する
+    free(maxHeap);
+}
+
+/* 左子ノードのインデックスを取得 */
+int left(MaxHeap *maxHeap, int i) {
+    return 2 * i + 1;
+}
+
+/* 右子ノードのインデックスを取得 */
+int right(MaxHeap *maxHeap, int i) {
+    return 2 * i + 2;
+}
+
+/* 親ノードのインデックスを取得 */
+int parent(MaxHeap *maxHeap, int i) {
+    return (i - 1) / 2; // 切り捨て
+}
+
+/* 要素を交換 */
+void swap(MaxHeap *maxHeap, int i, int j) {
+    int temp = maxHeap->data[i];
+    maxHeap->data[i] = maxHeap->data[j];
+    maxHeap->data[j] = temp;
+}
+
+/* ヒープのサイズを取得 */
+int size(MaxHeap *maxHeap) {
+    return maxHeap->size;
+}
+
+/* ヒープが空かどうかを判定 */
+int isEmpty(MaxHeap *maxHeap) {
+    return maxHeap->size == 0;
+}
+
+/* ヒープ先頭要素にアクセス */
+int peek(MaxHeap *maxHeap) {
+    return maxHeap->data[0];
+}
+
+/* 要素をヒープに追加 */
+void push(MaxHeap *maxHeap, int val) {
+    // 通常は、これほど多くのノードを追加すべきではない
+    if (maxHeap->size == MAX_SIZE) {
+        printf("heap is full!");
+        return;
+    }
+    // ノードを追加
+    maxHeap->data[maxHeap->size] = val;
+    maxHeap->size++;
+
+    // 下から上へヒープ化
+    siftUp(maxHeap, maxHeap->size - 1);
+}
+
+/* 要素をヒープから取り出す */
+int pop(MaxHeap *maxHeap) {
+    // 空判定の処理
+    if (isEmpty(maxHeap)) {
+        printf("heap is empty!");
+        return INT_MAX;
+    }
+    // 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
+    swap(maxHeap, 0, size(maxHeap) - 1);
+    // ノードを削除
+    int val = maxHeap->data[maxHeap->size - 1];
+    maxHeap->size--;
+    // 上から下へヒープ化
+    siftDown(maxHeap, 0);
+
+    // ヒープ先頭要素を返す
+    return val;
+}
+
+/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
+void siftDown(MaxHeap *maxHeap, int i) {
+    while (true) {
+        // ノード i, l, r のうち値が最大のノードを max とする
+        int l = left(maxHeap, i);
+        int r = right(maxHeap, i);
+        int max = i;
+        if (l < size(maxHeap) && maxHeap->data[l] > maxHeap->data[max]) {
+            max = l;
+        }
+        if (r < size(maxHeap) && maxHeap->data[r] > maxHeap->data[max]) {
+            max = r;
+        }
+        // ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
+        if (max == i) {
+            break;
+        }
+        // 2 つのノードを交換
+        swap(maxHeap, i, max);
+        // ループで上から下へヒープ化
+        i = max;
+    }
+}
+
+/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
+void siftUp(MaxHeap *maxHeap, int i) {
+    while (true) {
+        // ノード i の親ノードを取得
+        int p = parent(maxHeap, i);
+        // 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
+        if (p < 0 || maxHeap->data[i] <= maxHeap->data[p]) {
+            break;
+        }
+        // 2 つのノードを交換
+        swap(maxHeap, i, p);
+        // ループで下から上へヒープ化
+        i = p;
+    }
+}

ja/codes/c/chapter_heap/my_heap_test.c

@@ -0,0 +1,41 @@
+/**
+ * File: my_heap_test.c
+ * Created Time: 2023-01-15
+ * Author: Reanon (793584285@qq.com)
+ */
+
+#include "my_heap.c"
+
+/* Driver Code */
+int main() {
+    /* ヒープを初期化 */
+    // 最大ヒープを初期化
+    int nums[] = {9, 8, 6, 6, 7, 5, 2, 1, 4, 3, 6, 2};
+    MaxHeap *maxHeap = newMaxHeap(nums, sizeof(nums) / sizeof(int));
+    printf("配列を入力してヒープ化した後\n");
+    printHeap(maxHeap->data, maxHeap->size);
+
+    /* ヒープ頂点の要素を取得 */
+    printf("\nヒープの先頭要素は %d\n", peek(maxHeap));
+
+    /* 要素をヒープに追加 */
+    push(maxHeap, 7);
+    printf("\n要素 7 をヒープに追加した後\n");
+    printHeap(maxHeap->data, maxHeap->size);
+
+    /* ヒープ頂点の要素を取り出す */
+    int top = pop(maxHeap);
+    printf("\nヒープの先頭要素 %d を取り出した後\n", top);
+    printHeap(maxHeap->data, maxHeap->size);
+
+    /* ヒープのサイズを取得 */
+    printf("\nヒープの要素数は %d\n", size(maxHeap));
+
+    /* ヒープが空かどうかを判定 */
+    printf("\nヒープが空かどうか %d\n", isEmpty(maxHeap));
+
+    // メモリを解放する
+    delMaxHeap(maxHeap);
+
+    return 0;
+}

ja/codes/c/chapter_heap/top_k.c

@@ -0,0 +1,73 @@
+/**
+ * File: top_k.c
+ * Created Time: 2023-10-26
+ * Author: krahets (krahets163.com)
+ */
+
+#include "my_heap.c"
+
+/* 要素をヒープに追加 */
+void pushMinHeap(MaxHeap *maxHeap, int val) {
+    // 要素を反転する
+    push(maxHeap, -val);
+}
+
+/* 要素をヒープから取り出す */
+int popMinHeap(MaxHeap *maxHeap) {
+    // 要素を反転する
+    return -pop(maxHeap);
+}
+
+/* ヒープ先頭要素にアクセス */
+int peekMinHeap(MaxHeap *maxHeap) {
+    // 要素を反転する
+    return -peek(maxHeap);
+}
+
+/* ヒープから要素を取り出す */
+int *getMinHeap(MaxHeap *maxHeap) {
+    // ヒープ内のすべての要素を反転して res 配列に格納
+    int *res = (int *)malloc(maxHeap->size * sizeof(int));
+    for (int i = 0; i < maxHeap->size; i++) {
+        res[i] = -maxHeap->data[i];
+    }
+    return res;
+}
+
+// ヒープに基づいて配列中の最大の k 個の要素を求める関数
+int *topKHeap(int *nums, int sizeNums, int k) {
+    // 最小ヒープを初期化する
+    // 注意: ヒープ内の全要素を反転し、最大ヒープで最小ヒープをシミュレートする
+    int *empty = (int *)malloc(0);
+    MaxHeap *maxHeap = newMaxHeap(empty, 0);
+    // 配列の先頭 k 個の要素をヒープに追加
+    for (int i = 0; i < k; i++) {
+        pushMinHeap(maxHeap, nums[i]);
+    }
+    // k+1 番目の要素から開始し、ヒープ長を k に保つ
+    for (int i = k; i < sizeNums; i++) {
+        // 現在の要素がヒープ先頭より大きければ、ヒープ先頭を取り出して現在の要素を追加する
+        if (nums[i] > peekMinHeap(maxHeap)) {
+            popMinHeap(maxHeap);
+            pushMinHeap(maxHeap, nums[i]);
+        }
+    }
+    int *res = getMinHeap(maxHeap);
+    // メモリを解放する
+    delMaxHeap(maxHeap);
+    return res;
+}
+
+/* Driver Code */
+int main() {
+    int nums[] = {1, 7, 6, 3, 2};
+    int k = 3;
+    int sizeNums = sizeof(nums) / sizeof(nums[0]);
+
+    int *res = topKHeap(nums, sizeNums, k);
+    printf("最大の %d 個の要素は: ", k);
+    printArray(res, k);
+
+    free(res);
+    return 0;
+}