斐波那契堆(Fibonacci heap)原理详解(附java代码实现)

前言

　　斐波那契堆(Fibonacci heap)是计算机科学中最小堆有序树的集合。它和二项式堆有类似的性质，但比二项式堆有更好的均摊时间。堆的名字来源于斐波那契数，它常用于分析运行时间。

堆结构介绍

　　基本术语介绍：

　　关键字：堆节点储存的用于比较的信息

　　度数：堆节点拥有的孩子数(注意，不包括孩子的孩子)

　　左兄弟：节点左边的兄弟节点

　　右兄弟：节点右边的兄弟节点

　　mark:是否有孩子节点被删除

　　斐波那契堆是一系列无序树的集合，每棵树是一个最小堆，满足最小堆的性质。(注意，树是无序的，所以不要纠结树该怎么排序)。堆保存了堆中所有节点的数目，保存了最小关键字的节点(这是整个堆的唯一入口，根据这个最小节点可以获取整个堆的任何节点)。

　　堆的节点是堆的最小单位，它是双向链表的节点，意味着它保存了上下节点的信息，如下图,(也能看出树的根节点排列是无序的)。

　　它主要有如下性质：

　　1、关键字

　　2、度数

　　3、左兄弟

　　4、右兄弟

　　5、父节点

　　6、孩子节点(任一个孩子节点，随意)

堆基本操作

　　一、插入操作

　　　　1、创建一个节点，如21

　　2、把新建的节点插入到根链表中，如果是最小值，则更新它为堆的最小节点。插入位置没有规定，一般习惯插入到min的左边。把堆的“所有节点数”值加1

　　3、插入操作完成了(插入并不会对堆进行修改，修改是在其他操作中进行的，所以比较简单)

　　二、删除最小节点

　　　　1、删除最小节点，并把它的所有孩子合并到堆的根链表中，并更新min

　　2、合并根节点的树，使任何树的度(rank)不相等

　　　　观察到7有1个孩子节点，即度为1，先保存起来，由于是初始的，肯定没有和7度相同的

　　　　接着下一个根节点24，度为2，继续。

　　　　23, 度为1，继续

　　　　17, 度为1。由于已经有度为1的根节点了，所以需要合并这两个节点

　　　　根据最小堆得性质，把23合并到17上，作为17的孩子节点

　　　　此时17的度为2，仍然重复，继续合并，直到没有度一样的根节点

　　　　最终结果如下图

　　三、减小key值

　　　　如果没有违背最小堆的性质，直接减小key的值

　　　　否则，把以key为根节点的树合并到堆的根链表中

　　　　如果有一个节点有两个孩子移除了，把这个节点也合并到根链表中，并且unmark它

　　　　现在举一个例子来说明各种可能情况

　　　　1、不违反最小堆性质

　　　　　　把46减小为29，不违反最小堆性质，不改变堆结构

　　　　2、违反最小堆性质，合并到根链表中，并且unmark 它

　　　　　　把29减小为15，违反了堆性质

　　　　把15合并到根链表中

　　如果父节点没有mark(没有失去孩子), 设置它为mark

　　如果父节点已经是mark，则把父节点合并到根链表中，并设置为unmark。

　　把节点35减小到5　

　　由于违反了，把5合并到根

　　由于26已经mark，把26这个子树合并到根

　　同理24合并到根

　　由于7已经是根节点了，停止，全部结束

　　四、删除节点

　　　　删除节点比较简单，主要分为两步

　　　　1、把节点值decrease比堆最小值还小

　　　　2、删除最小值

java代码实现(仅供参考，逻辑并不十分严谨)

 1 public class FibonNode<T extends Comparable<T>> {
 2 
 3     public T key;
 4     
 5     public FibonNode<T> child;
 6     
 7     public FibonNode<T> left;
 8     
 9     public FibonNode<T> right;
10     
11     public boolean mark;
12     
13     public FibonNode<T> parent;
14     
15     public int degree;
16     
17     public FibonNode(T key){
18         this.degree = 0;
19         this.key = key;
20         this.parent = null;
21         this.child = null;
22         this.left = null;
23         this.right = null;
24         this.mark = false;
25     }
26 }

  1 public class FibonHeap<T extends Comparable<T>> {
  2 
  3     private int keyNum;
  4 
  5     private FibonNode<T> min;
  6 
  7     /*
  8      * 保存当前指针
  9      */
 10     private FibonNode<T> current;
 11 
 12     /*
 13      * 保存各个度对应的节点,如度为1的节点对应的节点
 14      */
 15     private Map<Integer, FibonNode<T>> degreeNodes;
 16 
 17     public FibonHeap(T key) {
 18         min = new FibonNode<T>(key);
 19         keyNum += 1;
 20         min.left = min;
 21         min.right = min;
 22     }
 23 
 24     /*
 25      * 插入值
 26      */
 27     public void insert(T key) {
 28         FibonNode<T> node = new FibonNode<T>(key);
 29         insert(node);
 30     }
 31 
 32     
 33     /*
 34      * 删除最小值
 35      */
 36     public void deleteMin() {
 37         degreeNodes = new HashMap<Integer, FibonNode<T>>();
 38         removeMinNode();
 39         consolidate();
 40 
 41     }
 42     
 43     /*
 44      * 删除节点
 45      */
 46     public void deleteNode(FibonNode<T> node){
 47         T everSmall = null;
 48         decrease(node, everSmall);
 49         deleteMin();
 50     }
 51     
 52     /*
 53      * 合并堆
 54      */
 55     public FibonHeap<T> union(FibonHeap<T> heapA, FibonHeap<T> heapB){
 56         FibonNode<T> minA = heapA.min;
 57         FibonNode<T> minB = heapB.min;
 58         minA.right = minB;
 59         minA.right.left = minB.right;
 60         minB.left = minA;
 61         minB.right.left = minA.right;
 62         FibonNode<T> min = minA;
 63         if(minB.key.compareTo(minB.key) < 0){
 64             min = minB;
 65         }
 66         heapA.min = min;
 67         heapA.keyNum += heapB.keyNum;
 68         return heapA;
 69     }
 70     
 71     private void insert(FibonNode<T> node) {
 72         //插入就是直接更新左右节点就可以了
 73         min.left.right = node;
 74         node.left = min.left;
 75         node.right = min;
 76         min.left = node;
 77         T minKey = min.key;
 78         if (node.key.compareTo(minKey) < 0) {
 79             min = node;
 80         }
 81         keyNum += 1;
 82     }
 83     
 84     /*
 85      * 把节点从堆中删除
 86      */
 87     private void removeMinNode() {
 88         FibonNode<T> left = min.left;
 89         if (left == min) {
 90             //说明只剩最后一个节点了，也就是最小节点自己
 91             if (min.child != null) {
 92                 min = null;//这里不是null，应该是孩子节点中最小节点，笔者没有写完而已
 93             }
 94         } else {
 95             deleteInList(min);
 96             addChToR(min);
 97             min = left;    //    先随意选个节点作为最小节点，在随后环节会更新的
 98         }
 99         keyNum--;
100     }
101 
102 
103     /*
104      * 把根节点合并使其所有节点的度不相等
105      */
106     private void consolidate() {
107         current = min;
108         do {
109             current = putDegreeNodes(current);
110             if (current.key.compareTo(min.key) < 0) {
111                 min = current;
112             }
113             current = current.right;
114         } while (current != min && current.left != current);
115     }
116 
117     /*
118      * 
119      */
120     private FibonNode<T> putDegreeNodes(FibonNode<T> node) {
121         int nodeDegree = node.degree;
122         //从map中找节点对应的度是否存在，存在说明有相同度的节点了，需要合并
123         FibonNode<T> nodeInMap = degreeNodes.get(nodeDegree);    
124         if (nodeInMap == null) {
125             degreeNodes.put(nodeDegree, node);
126         } else {
127             if (node.key.compareTo(nodeInMap.key) < 0) {
128                 deleteInList(nodeInMap);
129                 nodeInMap.left = nodeInMap;
130                 nodeInMap.right = nodeInMap;
131                 node = fibLink(node, nodeInMap);
132                 nodeInMap = node;
133             } else {
134                 deleteInList(node);
135                 node.left = node;
136                 node.right = node;
137                 nodeInMap = fibLink(nodeInMap, node);
138 
139                 node = nodeInMap;
140             }
141             degreeNodes.put(nodeDegree, null);
142             node = putDegreeNodes(node);
143         }
144         return node;
145     }
146 
147     private FibonNode<T> fibLink(FibonNode<T> parent, FibonNode<T> child) {
148         if (parent.child == null) {
149             parent.child = child;
150             
151         } else {
152             parent.child = insertCyle(parent.child, child);
153         }
154         child.parent = parent;
155         parent.degree += 1;
156         return parent;
157     }
158 
159     /*
160      * 从所在链中删除
161      */
162     private void deleteInList(FibonNode<T> node) {
163         FibonNode<T> left = node.left;
164         FibonNode<T> right = node.right;
165         left.right = right;
166         right.left = left;
167     }
168 
169     /*
170      * 插入到链中
171      */
172     private FibonNode<T> insertCyle(FibonNode<T> target, FibonNode<T> node) {
173         FibonNode<T> left = target.left;
174         left.right = node;
175         node.left = target;
176         node.right = target;
177         target.left = node;
178         return target;
179     }
180 
181     /*
182      * 把孩子节点添加到根链表中
183      */
184     private void addChToR(FibonNode<T> node) {
185         FibonNode<T> aChild = node.child;
186         if (aChild == null) {
187             return;
188         }
189         do {
190             //孩子节点循环插入根
191             FibonNode<T> right = aChild.right;
192             min.right = insertCyle(min.right, aChild);
193             aChild = right;
194 
195         } while (aChild != node.child);
196     }
197     
198     public void decrease(FibonNode<T> target, T key){
199         FibonNode<T> parent = target.parent;
200         if(target.key.compareTo(key) < 0){
201             System.out.println("只能减少key值");
202             return;
203         }
204         if(parent == null){
205             //如果修改节点是根节点，直接修改
206             target.key = key;
207             if(key.compareTo(min.key) < 0){
208                 //更新最小节点
209                 min = target;
210             }
211             return;
212         }
213         if(parent.key.compareTo(key) < 0){
214             //如果值修改稿后不违反最小堆，直接修改即可
215             target.key = key;
216             return;
217         }
218         cutAndMeld(target);
219         parent = cascadingCut(parent);
220     }
221     
222     /*
223      * 删除节点，并合并到根中
224      */
225     private void cutAndMeld(FibonNode<T> target){
226         target.parent = null;
227         target.mark = false;
228         insert(target);
229     }
230     
231     /*
232      * 级联删除，使其符合斐波那契堆性质
233      */
234     private FibonNode<T> cascadingCut(FibonNode<T> parent){
235         if(null == parent){
236             return null;
237         }
238         parent.degree--;
239         if(parent.mark == false){
240             parent.mark = true;
241         }else{
242             cutAndMeld(parent);
243             parent = cascadingCut(parent);
244         }
245         return parent;
246     }
247     
248     
249 }