76、堆-数据流的中位数

思路:

        这个问题是动态数据流中位数查找问题。在数据流中,数据是逐个到来的,而我们需要在任何时候快速返回已有数据的中位数。中位数是将数据集分成两个等长的子集,一个包含所有较小的元素而另一个包含所有较大的元素。

为了高效解决这个问题,我们可以使用两个优先队列(堆):

  • 一个最大堆(maxQueue),用来存储当前所有元素中较小的一半,它能够保证在堆顶的是这个子集中最大的元素。
  • 一个最小堆(minQueue),用来存储较大的一半,它能够保证在堆顶的是这个子集中最小的元素。

这样设计的原因是:

最大堆和最小堆的堆顶元素可以视为中位数或中位数的候选值,因为这两个元素正好将整个数据集分为两个等长的部分,或者其中一个部分多一个元素(当数据总数是奇数时)。
插入操作(addNum)可以保持两个堆的大小平衡(即数量相等或仅差一个元素),这样可以确保中位数总是处于堆顶,可以在常数时间内被检索到。
当数据总数为偶数时,中位数是两个堆顶元素的平均值;当数据总数为奇数时,中位数是元素多的那个堆的堆顶元素。
在addNum方法中,每次添加一个新元素时,我们首先判断它应该属于哪一个子集:

如果新元素小于等于最大堆的堆顶元素,或者最大堆为空,这意味着这个新元素属于较小的一半,因此应该加入最大堆。
否则,它属于较大的一半,应该加入最小堆。
加入元素后,我们可能需要重新平衡两个堆以确保它们的大小满足要求。如果任一堆的大小超过另一堆的大小超过1,我们将堆顶元素移动到另一堆以恢复平衡。

在findMedian方法中,我们根据两个堆的大小关系来确定中位数:

如果两个堆的大小相等,这意味着元素总数是偶数,我们返回两个堆顶元素的平均值作为中位数。
如果两个堆的大小不等,这意味着元素总数是奇数,我们返回元素较多的那个堆的堆顶元素作为中位数。
整体上,这个设计利用了最大堆和最小堆各自的性质,以及它们在维护中位数方面的互补性,从而提供了一个既高效又简洁的解决方案。

class MedianFinder {
    // 用于存储较大一半元素的小顶堆。
    PriorityQueue<Integer> minQueue;
    // 用于存储较小一半元素的大顶堆。
    PriorityQueue<Integer> maxQueue;

    // MedianFinder 类的构造函数。
    public MedianFinder() {
        // 初始化 minQueue 为小顶堆。
        minQueue = new PriorityQueue<>();
        // 初始化 maxQueue 为大顶堆,使用自定义比较器来逆序元素。
        maxQueue = new PriorityQueue<>((a, b) -> b - a);
    }

    // 将数字添加到数据结构中的方法。
    public void addNum(int num) {
        // 如果 maxQueue 是空的,直接将数字添加到 maxQueue。
        if (maxQueue.isEmpty()) {
            maxQueue.add(num);
        } else {
            // 根据 maxQueue 的顶部元素决定将数字添加到 minQueue 或 maxQueue。
            if (maxQueue.peek() >= num) {
                maxQueue.add(num);
            } else {
                minQueue.add(num);
            }
        }

        // 如果必要的话,调整堆的大小,确保两个堆的大小差不多于1。
        if (maxQueue.size() == minQueue.size() + 2) {
            minQueue.add(maxQueue.poll());
        }
        if (minQueue.size() == maxQueue.size() + 2) {
            maxQueue.add(minQueue.poll());
        }
    }

    // 查找当前添加的数字的中位数的方法。
    public double findMedian() {
        // 如果两个堆的大小相同,中位数是它们顶部元素的平均值。
        if (maxQueue.size() == minQueue.size()) {
            return (maxQueue.peek() + minQueue.peek()) / 2.0;
        } else if (maxQueue.size() > minQueue.size()) {
            // 如果 maxQueue 的元素更多,中位数是 maxQueue 的顶部元素。
            return maxQueue.peek() * 1.0;
        } else {
            // 如果 minQueue 的元素更多,中位数是 minQueue 的顶部元素。
            return minQueue.peek() * 1.0;
        }
    }
}

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