Cosa devo usare per un'implementazione di max-heap in Python?


Risposte:


244

Il modo più semplice è invertire il valore delle chiavi e usare heapq. Ad esempio, trasforma 1000.0 in -1000.0 e 5.0 in -5.0.


38
È anche la soluzione standard.
Andrew McGregor,

44
uggh; kludge totale. Sono sorpreso heapqche non fornisce un contrario.
shabbychef,

40
Wow. Sono sorpreso che questo non sia fornito da heapq, e che non ci siano buone alternative.
ire_and_curses il

23
@gatoatigrado: se hai qualcosa che non è facilmente mappabile su int/ float, puoi invertire l'ordine ordinandoli in una classe con un __lt__operatore invertito .
Daniel Stutzbach,

5
Lo stesso consiglio di @Aerovistae si applica: inverti i valori (cioè cambia il segno) indipendentemente dal fatto che siano positivi o negativi all'inizio.
Dennis,

235

Puoi usare

import heapq
listForTree = [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]    
heapq.heapify(listForTree)             # for a min heap
heapq._heapify_max(listForTree)        # for a maxheap!!

Se vuoi quindi far apparire gli elementi, usa:

heapq.heappop(minheap)      # pop from minheap
heapq._heappop_max(maxheap) # pop from maxheap

34
Sembra che ci sono alcune funzioni non documentate per mucchio max: _heapify_max, _heappushpop_max, _siftdown_max, e _siftup_max.
ziyuang,

127
Wow. Sono stupito che ci È come un built-in soluzione in heapq. Ma poi è del tutto irragionevole che NON sia nemmeno leggermente menzionato nel documento ufficiale! WTF!
RayLuo,

27
Qualsiasi funzione pop / push interrompe la struttura heap massima, quindi questo metodo non è fattibile.
Siddhartha,

22
NON USARLO. Come hanno notato LinMa e Siddhartha, push / pop rompe l'ordine.
Alex Fedulov,

13
I metodi che iniziano con un trattino basso sono privati e possono essere rimossi senza preavviso . Non usarli.
user4815162342

66

La soluzione è annullare i valori quando li memorizzi nell'heap o invertire il confronto degli oggetti in questo modo:

import heapq

class MaxHeapObj(object):
  def __init__(self, val): self.val = val
  def __lt__(self, other): return self.val > other.val
  def __eq__(self, other): return self.val == other.val
  def __str__(self): return str(self.val)

Esempio di max-heap:

maxh = []
heapq.heappush(maxh, MaxHeapObj(x))
x = maxh[0].val  # fetch max value
x = heapq.heappop(maxh).val  # pop max value

Ma devi ricordare di avvolgere e scartare i tuoi valori, il che richiede di sapere se hai a che fare con un heap min o max.

Classi MinHeap, MaxHeap

L'aggiunta di classi per MinHeape MaxHeapoggetti può semplificare il codice:

class MinHeap(object):
  def __init__(self): self.h = []
  def heappush(self, x): heapq.heappush(self.h, x)
  def heappop(self): return heapq.heappop(self.h)
  def __getitem__(self, i): return self.h[i]
  def __len__(self): return len(self.h)

class MaxHeap(MinHeap):
  def heappush(self, x): heapq.heappush(self.h, MaxHeapObj(x))
  def heappop(self): return heapq.heappop(self.h).val
  def __getitem__(self, i): return self.h[i].val

Esempio di utilizzo:

minh = MinHeap()
maxh = MaxHeap()
# add some values
minh.heappush(12)
maxh.heappush(12)
minh.heappush(4)
maxh.heappush(4)
# fetch "top" values
print(minh[0], maxh[0])  # "4 12"
# fetch and remove "top" values
print(minh.heappop(), maxh.heappop())  # "4 12"

Bello. Ho preso questo e ho aggiunto un listparametro opzionale a __init__ nel qual caso io chiamo heapq.heapifye ho anche aggiunto un heapreplacemetodo.
Booboo,

1
Sorpreso che nessuno abbia notato questo errore di battitura: MaxHeapInt -> MaxHeapObj. Altrimenti, una soluzione davvero pulita.
Chiraz BenAbdelkader il

@ChirazBenAbdelkader corretto, grazie.
Isaac Turner il

39

La soluzione più semplice e ideale

Moltiplica i valori per -1

Ecco qua Tutti i numeri più alti sono ora i più bassi e viceversa.

Ricorda solo che quando fai apparire un elemento per moltiplicarlo con -1 per ottenere nuovamente il valore originale.


Fantastico, ma la maggior parte delle soluzioni supporta le classi / altri tipi e non modifica i dati effettivi. La domanda aperta è se moltiplicare il valore per -1 non li cambierà (float estremamente preciso).
Alex Baranowski,

1
@AlexBaranowski. È vero, ma questa è stata la risposta del manutentore: bugs.python.org/issue27295
Flair

Bene, i manutentori hanno il diritto di non implementare alcune funzionalità, ma questo IMO è effettivamente utile.
Alex Baranowski il

7

Ho implementato una versione heap max di heapq e l'ho inviata a PyPI. (Lievissima modifica del codice CPython del modulo heapq.)

https://pypi.python.org/pypi/heapq_max/

https://github.com/he-zhe/heapq_max

Installazione

pip install heapq_max

uso

tl; dr: uguale al modulo heapq tranne per l'aggiunta di '_max' a tutte le funzioni.

heap_max = []                           # creates an empty heap
heappush_max(heap_max, item)            # pushes a new item on the heap
item = heappop_max(heap_max)            # pops the largest item from the heap
item = heap_max[0]                      # largest item on the heap without popping it
heapify_max(x)                          # transforms list into a heap, in-place, in linear time
item = heapreplace_max(heap_max, item)  # pops and returns largest item, and
                                    # adds new item; the heap size is unchanged

4

Se si inseriscono chiavi comparabili ma non int-like, è possibile sovrascrivere potenzialmente gli operatori di confronto (ad es. <= Diventano> e> diventa <=). Altrimenti, puoi sovrascrivere heapq._siftup nel modulo heapq (alla fine è tutto solo codice Python).


9
"È tutto solo codice Python": dipende dalla versione e dall'installazione di Python. Ad esempio, il mio heapq.py installato ha del codice dopo la riga 309 ( # If available, use C implementation) che fa esattamente ciò che il commento descrive.
martedì

3

Ti consente di scegliere una quantità arbitraria di articoli più grandi o più piccoli

import heapq
heap = [23, 7, -4, 18, 23, 42, 37, 2, 8, 2, 23, 7, -4, 18, 23, 42, 37, 2]
heapq.heapify(heap)
print(heapq.nlargest(3, heap))  # [42, 42, 37]
print(heapq.nsmallest(3, heap)) # [-4, -4, 2]

3
Una spiegazione sarebbe in ordine.
Peter Mortensen,

Il mio titolo è la mia spiegazione
jasonleonhard il

1
La mia risposta è più lunga della domanda. Quale spiegazione vorresti aggiungere?
Jasonleonhard,


2
Questo dà il risultato corretto ma in realtà non usa un heap per renderlo efficiente. Il documento specifica che nlargest e nsmallest ordinano ogni volta l'elenco.
RossFabricant

3

Estendere la classe int e sovrascrivere __lt__ è uno dei modi.

import queue
class MyInt(int):
    def __lt__(self, other):
        return self > other

def main():
    q = queue.PriorityQueue()
    q.put(MyInt(10))
    q.put(MyInt(5))
    q.put(MyInt(1))
    while not q.empty():
        print (q.get())


if __name__ == "__main__":
    main()

È possibile, ma penso che rallenterebbe molto e utilizzerebbe molta memoria aggiuntiva. MyInt non può davvero essere utilizzato al di fuori della struttura dell'heap. Ma grazie per aver scritto un esempio, è interessante da vedere.
Leo Ufimtsev,

Hah! Un giorno dopo aver commentato mi sono imbattuto nella situazione in cui avevo bisogno di mettere un oggetto personalizzato in un heap e avevo bisogno di un heap massimo. In realtà ho riprogrammato questo post e ho trovato la tua risposta e ho basato la mia soluzione. (L'oggetto personalizzato è un punto con coordinate x, y e lt sovrascrive confrontando la distanza dal centro). Grazie per aver pubblicato questo, ho votato!
Leo Ufimtsev,

1

Ho creato un wrapper heap che inverte i valori per creare un max-heap, nonché una classe wrapper per un min-heap per rendere la libreria più simile a OOP. Ecco l'essenza. Ci sono tre classi; Heap (classe astratta), HeapMin e HeapMax.

metodi:

isempty() -> bool; obvious
getroot() -> int; returns min/max
push() -> None; equivalent to heapq.heappush
pop() -> int; equivalent to heapq.heappop
view_min()/view_max() -> int; alias for getroot()
pushpop() -> int; equivalent to heapq.pushpop

0

Nel caso in cui desideri ottenere l'elemento K più grande usando max heap, puoi fare il seguente trucco:

nums= [3,2,1,5,6,4]
k = 2  #k being the kth largest element you want to get
heapq.heapify(nums) 
temp = heapq.nlargest(k, nums)
return temp[-1]

1
Sfortunatamente, la complessità temporale per questo è O (MlogM) dove M = len (nums), che sconfigge lo scopo di heapq. Vedi l'implementazione e i commenti nlargestqui -> github.com/python/cpython/blob/…
Arthur S

1
Grazie per il tuo commento informativo, assicurati di controllare il link allegato.
RowanX

0

In seguito all'eccellente risposta di Isaac Turner , vorrei fare un esempio basato sui punti più vicini a K dell'origine usando heap max.

from math import sqrt
import heapq


class MaxHeapObj(object):
    def __init__(self, val):
        self.val = val.distance
        self.coordinates = val.coordinates

    def __lt__(self, other):
        return self.val > other.val

    def __eq__(self, other):
        return self.val == other.val

    def __str__(self):
        return str(self.val)


class MinHeap(object):
    def __init__(self):
        self.h = []

    def heappush(self, x):
        heapq.heappush(self.h, x)

    def heappop(self):
        return heapq.heappop(self.h)

    def __getitem__(self, i):
        return self.h[i]

    def __len__(self):
        return len(self.h)


class MaxHeap(MinHeap):
    def heappush(self, x):
        heapq.heappush(self.h, MaxHeapObj(x))

    def heappop(self):
        return heapq.heappop(self.h).val

    def peek(self):
        return heapq.nsmallest(1, self.h)[0].val

    def __getitem__(self, i):
        return self.h[i].val


class Point():
    def __init__(self, x, y):
        self.distance = round(sqrt(x**2 + y**2), 3)
        self.coordinates = (x, y)


def find_k_closest(points, k):
    res = [Point(x, y) for (x, y) in points]
    maxh = MaxHeap()

    for i in range(k):
        maxh.heappush(res[i])

    for p in res[k:]:
        if p.distance < maxh.peek():
            maxh.heappop()
            maxh.heappush(p)

    res = [str(x.coordinates) for x in maxh.h]
    print(f"{k} closest points from origin : {', '.join(res)}")


points = [(10, 8), (-2, 4), (0, -2), (-1, 0), (3, 5), (-2, 3), (3, 2), (0, 1)]
find_k_closest(points, 3)

0

Per approfondire su https://stackoverflow.com/a/59311063/1328979 , ecco un'implementazione Python 3 completamente documentata, annotata e testata per il caso generale.

from __future__ import annotations  # To allow "MinHeap.push -> MinHeap:"
from typing import Generic, List, Optional, TypeVar
from heapq import heapify, heappop, heappush, heapreplace


T = TypeVar('T')


class MinHeap(Generic[T]):
    '''
    MinHeap provides a nicer API around heapq's functionality.
    As it is a minimum heap, the first element of the heap is always the
    smallest.
    >>> h = MinHeap([3, 1, 4, 2])
    >>> h[0]
    1
    >>> h.peek()
    1
    >>> h.push(5)  # N.B.: the array isn't always fully sorted.
    [1, 2, 4, 3, 5]
    >>> h.pop()
    1
    >>> h.pop()
    2
    >>> h.pop()
    3
    >>> h.push(3).push(2)
    [2, 3, 4, 5]
    >>> h.replace(1)
    2
    >>> h
    [1, 3, 4, 5]
    '''
    def __init__(self, array: Optional[List[T]] = None):
        if array is None:
            array = []
        heapify(array)
        self.h = array
    def push(self, x: T) -> MinHeap:
        heappush(self.h, x)
        return self  # To allow chaining operations.
    def peek(self) -> T:
        return self.h[0]
    def pop(self) -> T:
        return heappop(self.h)
    def replace(self, x: T) -> T:
        return heapreplace(self.h, x)
    def __getitem__(self, i) -> T:
        return self.h[i]
    def __len__(self) -> int:
        return len(self.h)
    def __str__(self) -> str:
        return str(self.h)
    def __repr__(self) -> str:
        return str(self.h)


class Reverse(Generic[T]):
    '''
    Wrap around the provided object, reversing the comparison operators.
    >>> 1 < 2
    True
    >>> Reverse(1) < Reverse(2)
    False
    >>> Reverse(2) < Reverse(1)
    True
    >>> Reverse(1) <= Reverse(2)
    False
    >>> Reverse(2) <= Reverse(1)
    True
    >>> Reverse(2) <= Reverse(2)
    True
    >>> Reverse(1) == Reverse(1)
    True
    >>> Reverse(2) > Reverse(1)
    False
    >>> Reverse(1) > Reverse(2)
    True
    >>> Reverse(2) >= Reverse(1)
    False
    >>> Reverse(1) >= Reverse(2)
    True
    >>> Reverse(1)
    1
    '''
    def __init__(self, x: T) -> None:
        self.x = x
    def __lt__(self, other: Reverse) -> bool:
        return other.x.__lt__(self.x)
    def __le__(self, other: Reverse) -> bool:
        return other.x.__le__(self.x)
    def __eq__(self, other) -> bool:
        return self.x == other.x
    def __ne__(self, other: Reverse) -> bool:
        return other.x.__ne__(self.x)
    def __ge__(self, other: Reverse) -> bool:
        return other.x.__ge__(self.x)
    def __gt__(self, other: Reverse) -> bool:
        return other.x.__gt__(self.x)
    def __str__(self):
        return str(self.x)
    def __repr__(self):
        return str(self.x)


class MaxHeap(MinHeap):
    '''
    MaxHeap provides an implement of a maximum-heap, as heapq does not provide
    it. As it is a maximum heap, the first element of the heap is always the
    largest. It achieves this by wrapping around elements with Reverse,
    which reverses the comparison operations used by heapq.
    >>> h = MaxHeap([3, 1, 4, 2])
    >>> h[0]
    4
    >>> h.peek()
    4
    >>> h.push(5)  # N.B.: the array isn't always fully sorted.
    [5, 4, 3, 1, 2]
    >>> h.pop()
    5
    >>> h.pop()
    4
    >>> h.pop()
    3
    >>> h.pop()
    2
    >>> h.push(3).push(2).push(4)
    [4, 3, 2, 1]
    >>> h.replace(1)
    4
    >>> h
    [3, 1, 2, 1]
    '''
    def __init__(self, array: Optional[List[T]] = None):
        if array is not None:
            array = [Reverse(x) for x in array]  # Wrap with Reverse.
        super().__init__(array)
    def push(self, x: T) -> MaxHeap:
        super().push(Reverse(x))
        return self
    def peek(self) -> T:
        return super().peek().x
    def pop(self) -> T:
        return super().pop().x
    def replace(self, x: T) -> T:
        return super().replace(Reverse(x)).x


if __name__ == '__main__':
    import doctest
    doctest.testmod()

https://gist.github.com/marccarre/577a55850998da02af3d4b7b98152cf4


0

Questa è una semplice MaxHeapimplementazione basata su heapq. Funziona solo con valori numerici.

import heapq
from typing import List


class MaxHeap:
    def __init__(self):
        self.data = []

    def top(self):
        return -self.data[0]

    def push(self, val):
        heapq.heappush(self.data, -val)

    def pop(self):
        return -heapq.heappop(self.data)

Uso:

max_heap = MaxHeap()
max_heap.push(3)
max_heap.push(5)
max_heap.push(1)
print(max_heap.top())  # 5
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