数据结构 - 优先级队列 & 哈夫曼树 & Trie

1. 优先级队列(Priority Queue)

(1) 定义

普通队列:FIFO原则,也就是先进先出
优先级队列(Priority Queue):按照 优先级高低 进行出队

队列

(2) 应用场景

  • 夜间门诊
    队列元素:病人
    优先级:病情的严重情况、挂号时间
  • 操作系统的多任务调度
    队列元素:任务
    优先级:任务类型

(3) 底层实现

  • 通过 二叉堆 作为优先级队列的底层实现
  • 通过 ComparatorComparable 自定义优先级高低

2. 哈夫曼树(Huffman Tree)

(1) 哈夫曼编码(Huffman Coding)

将字符串【ABBBCCCCCCCCDDDDDDEE】转成二进制编码进行传输

1> 方法一:ASCII编码

转成ASCII编码(65 ~ 69,1000001 ~ 1000101),冗长

2> 方法二:约定二进制

约定5个字母对应的二进制:

A B C D E
000 001 010 011 100

对应的二进制编码:
\color{red}{000}\color{green}{001001001}\color{blue}{010010010010010010010010}\color{brown}{011011011011011011}\color{gray}{100100}

20个字母,转成了60个二进制位

3> 方法三:哈夫曼编码(Huffman Coding)

哈夫曼编码:现代 压缩算法 的基础
可以压缩至41个二进制位,约为原来长度的68.3%


(2) 哈夫曼树(Huffman Tree)

1> 首先计算出每个字母的出现频率(权值)
A B C D E
1 3 8 6 2
2> 构建哈夫曼树(最优二叉树)

如何构建一棵哈夫曼树?(假设有n个权值)

  1. 权值 作为根节点 构建 n棵二叉树,组成森林
  2. 在森林中选择2个根节点最小的树合并,作为一颗新树的左右子树,且新树的根节点为其左右子树根节点之和
  3. 从森林中删除刚才选取的2棵树,并将新树加入森林
  4. 重复2、3步骤,知道森林只剩下一棵树为止,该树即为哈夫曼树
哈夫曼树
3> 构建哈夫曼编码
哈夫曼树

left为0,right为1,可得5个字母对应的哈弗曼编码:

A B C D E
1110 110 0 10 1111

【ABBBCCCCCCCCDDDDDDEE】的哈夫曼编码为:

\color{red}{1110}\color{green}{110110110}\color{blue}{00000000}\color{brown}{101010101010}\color{gray}{11111111}


(3) 总结

  • n个权值 构建出来的 哈夫曼树 拥有n个叶子节点
  • 每个哈夫曼编码 都不是 另一个哈夫曼编码的 前缀
  • 哈夫曼树是 带权路径长度最短的树,权值较大的节点 离根节点较近
    带权路径长度:
    树中所有的 叶子节点的权值 乘以 其到根节点的路径长度
    与最终的哈夫曼编码总长度正比关系

3. Trie

(1) 定义

Trie:也叫 字典树、前缀树、单词查找树
Trie 搜索字符串的效率 主要跟字符串的长度 有关

使用Trie存储cat、dog、doggy、does、cast、add六个单词:

Trie

Trie优点:搜索前缀的效率 主要跟 前缀的长度 有关
Trie缺点:需要耗费大量的算法,有待改进

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