Python中的heapq模块源码详析

起步

这是一个相当实用的内置模块，但是很多人竟然不知道他的存在――笔者也是今天偶然看到的，哎……尽管如此，还是改变不了这个模块好用的事实

heapq 模块实现了适用于Python列表的最小堆排序算法。

堆是一个树状的数据结构，其中的子节点都与父母排序顺序关系。因为堆排序中的树是满二叉树，因此可以用列表来表示树的结构，使得元素 N 的子元素位于 2N + 1 和 2N + 2 的位置（对于从零开始的索引）。

本文内容将分为三个部分，第一个部分简单介绍 heapq 模块的使用；第二部分回顾堆排序算法；第三部分分析heapq中的实现。

heapq 的使用

创建堆有两个基本的方法：heappush() 和 heapify()，取出堆顶元素用 heappop()。

heappush() 是用来向已有的堆中添加元素，一般从空列表开始构建：

import heapq

data = [97, 38, 27, 50, 76, 65, 49, 13]
heap = []

for n in data:
 heapq.heappush(heap, n)

print('pop:', heapq.heappop(heap)) # pop: 13
print(heap) # [27, 50, 38, 97, 76, 65, 49]

如果数据已经在列表中，则使用 heapify() 进行重排：

import heapq

data = [97, 38, 27, 50, 76, 65, 49, 13]

heapq.heapify(data)

print('pop:', heapq.heappop(data)) # pop: 13
print(data) # [27, 38, 49, 50, 76, 65, 97]

回顾堆排序算法

堆排序算法基本思想是：将无序序列建成一个堆，得到关键字最小（或最大的记录；输出堆顶的最小（大）值后，使剩余的 n-1 个元素重又建成一个堆，则可得到n个元素的次小值；重复执行，得到一个有序序列，这个就是堆排序的过程。

堆排序需要解决两个问题：

如何由一个无序序列建立成一个堆？
如何在输出堆顶元素之后，调整剩余元素，使之成为一个新的堆？
新添加元素和，如何调整堆？

先来看看第二个问题的解决方法。采用的方法叫“筛选”，当输出堆顶元素之后，就将堆中最后一个元素代替之；然后将根结点值与左、右子树的根结点值进行比较，并与其中小者进行交换；重复上述操作，直至叶子结点，将得到新的堆，称这个从堆顶至叶子的调整过程为“筛选”。

如上图所示，当堆顶 13 输出后，将堆中末尾的 97 替代为堆顶，然后堆顶与它的子节点 38 和 27 中的小者交换；元素 97 在新的位置上在和它的子节点 65 和 49 中的小者交换；直到元素97成为叶节点，就得到了新的堆。这个过程也叫下沉。

让堆中位置为 pos 元素进行下沉的如下：

def heapdown(heap, pos):
 endpos = len(heap)
 while pos < endpos:
 lchild = 2 * pos + 1
 rchild = 2 * pos + 2
 if lchild >= endpos: # 如果pos已经是叶节点，退出循环
  break
 childpos = lchild # 假设要交换的节点是左节点
 if rchild < endpos and heap[childpos] > heap[rchild]:
  childpos = rchild

 if heap[pos] < heap[childpos]: # 如果节点比子节点都小，退出循环
  break
 heap[pos], heap[childpos] = heap[childpos], heap[pos] # 交换
 pos = childpos

再来看看如何解决第三个问题：新添加元素和，如何调整堆？这个的方法正好与下沉相反，首先将新元素放置列表的最后，然后新元素与其父节点比较，若比父节点小，与父节点交换；重复过程直到比父节点大或到根节点。这个过程使得元素从底部不断上升，从下至上恢复堆的顺序，称为上浮。

将位置为 pos 进行上浮的代码为：

def heapup(heap, startpos, pos): # 如果是新增元素，startpos 传入 0
 while pos > startpos:
 parentpos = (pos - 1) // 2
 if heap[pos] < heap[parentpos]:
  heap[pos], heap[parentpos] = heap[parentpos], heap[pos]
  pos = parentpos
 else:
  break

第一个问题：如何由一个无序序列建立成一个堆？从无序序列的第 n/2 个元素（即此无序序列对应的完全二叉树的最后一个非终端结点）起，至第一个元素止，依次进行下沉：

for i in reversed(range(len(data) // 2)):
 heapdown(data, i)

heapq 源码分析

添加新元素到堆中的 heappush() 函数：

def heappush(heap, item):
 """Push item onto heap, maintaining the heap invariant."""
 heap.append(item)
 _siftdown(heap, 0, len(heap)-1)

把目标元素放置列表最后，然后进行上浮。尽管它命名叫 down ,但这个过程是上浮的过程，这个命名也让我困惑，后来我才知道它是因为元素的索引不断减小，所以命名 down 。下沉的过程它也就命名为 up 了。

def _siftdown(heap, startpos, pos):
 newitem = heap[pos]
 # Follow the path to the root, moving parents down until finding a place
 # newitem fits.
 while pos > startpos:
  parentpos = (pos - 1) >> 1
  parent = heap[parentpos]
  if newitem < parent:
   heap[pos] = parent
   pos = parentpos
   continue
  break
 heap[pos] = newitem

一样是通过 newitem 不断与父节点比较。不一样的是这里缺少了元素交换的过程，而是计算出新元素最后所在的位置 pos 并进行的赋值。显然这是优化后的代码，减少了不断交换元素的冗余过程。

再来看看输出堆顶元素的函数 heappop():

def heappop(heap):
 """Pop the smallest item off the heap, maintaining the heap invariant."""
 lastelt = heap.pop() # raises appropriate IndexError if heap is empty
 if heap:
  returnitem = heap[0]
  heap[0] = lastelt
  _siftup(heap, 0)
  return returnitem
 return lastelt

通过 heap.pop() 获得列表中的最后一个元素，然后替换为堆顶 heap[0] = lastelt ，再进行下沉：

def _siftup(heap, pos):
 endpos = len(heap)
 startpos = pos
 newitem = heap[pos]
 # Bubble up the smaller child until hitting a leaf.
 childpos = 2*pos + 1 # 左节点，默认替换左节点
 while childpos < endpos:
  # Set childpos to index of smaller child.
  rightpos = childpos + 1 # 右节点
  if rightpos < endpos and not heap[childpos] < heap[rightpos]:
   childpos = rightpos # 当右节点比较小时，应交换的是右节点
  # Move the smaller child up.
  heap[pos] = heap[childpos]
  pos = childpos
  childpos = 2*pos + 1
 # The leaf at pos is empty now. Put newitem there, and bubble it up
 # to its final resting place (by sifting its parents down).
 heap[pos] = newitem
 _siftdown(heap, startpos, pos)

这边的代码将准备要下沉的元素视为新元素 newitem ，将其当前的位置 pos 视为空位置，由其子节点中的小者进行取代，反复如此，最后会在叶节点留出一个位置，这个位置放入 newitem ，再让新元素进行上浮。

再来看看让无序数列重排成堆的 heapify() 函数：

def heapify(x):
 """Transform list into a heap, in-place, in O(len(x)) time."""
 n = len(x)
 for i in reversed(range(n//2)):
  _siftup(x, i)

这部分就和理论上的一致，从最后一个非叶节点 (n // 2) 到根节点为止，进行下沉。

总结

堆排序结合图来理解还是比较好理解的。这种数据结构常用于优先队列（标准库Queue的优先队列用的就是堆）。 heapq 模块中还有很多其他 heapreplace ，heappushpop 等大体上都很类似。

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