Heap ใน Data Structures - Heap คืออะไร

 

ในบรรดาโครงสร้างข้อมูล (Data Structures) ที่นักพัฒนาหรือโปรแกรมเมอร์ได้เรียนและใช้งานกันอย่างแพร่หลายในศาสตร์ของการเขียนโปรแกรม Heap ถือเป็นอีกหนึ่งโครงสร้างที่มีความสำคัญ มันถูกนำไปใช้ในหลากหลายกรณีที่ต้องการการเรียงลำดับหรือคัดเลือกข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจาก build-in การทำงานของ heap สามารถทำให้การดำเนินการข้อมูลที่ซับซ้อนขึ้นกลายเป็นเรื่องง่ายขึ้น

 

ความหมายของ Heap

Heap เป็นโครงสร้างข้อมูลประเภทหนึ่งที่มักจะถูกใช้ในรูปแบบของ binary tree ที่มีลักษณะเป็น complete tree หรือ almost complete tree ซึ่งทุก node ของ heap จะต้องมีคุณสมบัติพิเศษแบ่งได้เป็นสองประเภทใหญ่ๆ คือ Min Heap และ Max Heap

- Min Heap: โครงสร้าง heap ที่ value ของ parent node จะต้องมีค่าที่น้อยกว่า child node เสมอ - Max Heap: โครงสร้าง heap ที่ value ของ parent node จะต้องมีค่ามากกว่า child node เสมอ

ยิ่งไปกว่านั้น Memory Heap ยังเป็นส่วนหนึ่งของ memory ในระบบคอมพิวเตอร์ที่ถูกจัดสรรให้กับ dynamic data ที่ขนาดอาจจะไม่แน่นอน

 

การประยุกต์ใช้ Heap ในโปรแกรมมิ่ง

Heap มีการประยุกต์ใช้งานได้กว้างขวาง โดยตัวอย่างการใช้งานที่น่าสนใจ ได้แก่:

1. Heap Sort: เป็นหนึ่งในออกลอริธึมการเรียงลำดับที่มีประสิทธิภาพ โดยทำงานภายใต้แนวคิดของ binary heap เพื่อ convert อาร์เรย์ให้กลายเป็น heap จากนั้นจึงใช้วิธีสลับค่าเพื่อทำการเรียงลำดับ

def heapify(arr, n, i):
    largest = i
    left = 2 * i + 1
    right = 2 * i + 2

    if left < n and arr[largest] < arr[left]:
        largest = left

    if right < n and arr[largest] < arr[right]:
        largest = right

    if largest != i:
        arr[i], arr[largest] = arr[largest], arr[i]
        heapify(arr, n, largest)

def heap_sort(arr):
    n = len(arr)

    # Build a maxheap
    for i in range(n // 2 - 1, -1, -1):
        heapify(arr, n, i)

    # Extract elements one by one
    for i in range(n - 1, 0, -1):
        arr[i], arr[0] = arr[0], arr[i]
        heapify(arr, i, 0)

# Example
arr = [12, 11, 13, 5, 6, 7]
heap_sort(arr)
print("Sorted array is:", arr)

2. Priority Queue: ด้วย heap เราสามารถสร้าง Priority Queue ได้ง่าย ๆ โดยที่เพิ่มความสามารถในการเลือกใช้ความสำคัญของข้อมูลเข้ามา

3. Graph Algorithms: เช่น Dijkstra’s Shortest Path Algorithm ที่ใช้ heap เพื่อช่วยในการค้นหาเส้นทางที่สั้นที่สุดอย่างมีประสิทธิภาพ

 

โครงสร้าง Min Heap เบื้องต้น

การสร้าง Min Heap สามารถเริ่มได้ง่าย ๆ ด้วยการใช้ Complete Binary Tree ตามกฎของ Min Heap ที่ทุก parent node ต้องมีค่าที่น้อยกว่า node ลูกทั้งหลาย

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

    def insert(self, element):
        self.heap.append(element)
        self.heapify_up(len(self.heap) - 1)

    def heapify_up(self, index):
        parent_index = (index - 1) // 2
        if index > 0 and self.heap[index] < self.heap[parent_index]:
            self.heap[index], self.heap[parent_index] = self.heap[parent_index], self.heap[index]
            self.heapify_up(parent_index)

    def extract_min(self):
        if len(self.heap) == 0:
            return None
        if len(self.heap) == 1:
            return self.heap.pop()
        root = self.heap[0]
        self.heap[0] = self.heap.pop()
        self.heapify_down(0)
        return root

    def heapify_down(self, index):
        smallest = index
        left = 2 * index + 1
        right = 2 * index + 2

        if left < len(self.heap) and self.heap[left] < self.heap[smallest]:
            smallest = left
        if right < len(self.heap) and self.heap[right] < self.heap[smallest]:
            smallest = right

        if smallest != index:
            self.heap[index], self.heap[smallest] = self.heap[smallest], self.heap[index]
            self.heapify_down(smallest)

# Example
min_heap = MinHeap()
min_heap.insert(10)
min_heap.insert(20)
min_heap.insert(5)
print("Minimum element:", min_heap.extract_min())

ในทางปฏิบัติ การเรียนรู้และทำความเข้าใจ Heap ให้ดีนั้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของโปรแกรมและทำให้โค้ดของคุณสามารถจัดการกับข้อมูลได้มีความซับซ้อนอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การศึกษาด้าน heap และการใช้งานในโปรแกรมมิ่งจึงเป็นสิ่งที่โปรแกรมเมอร์ไม่ควรมองข้าม

การเจาะลึกแนวคิดของ Heap จะไม่เพียงแค่เพิ่มพูนความรู้วิชาการ แต่ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้แก้ปัญหาจริงในหลายๆ ด้านได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากคุณสนใจและอยากพัฒนาทักษะความรู้อีกระดับ สามารถมาเรียนรู้เพิ่มเติมได้ที่ Expert-Programming-Tutor (EPT) ซึ่งเป็นโรงเรียนที่เชี่ยวชาญในการสอนการเขียนโปรแกรมในทุกระดับโดยผู้เชี่ยวชาญตัวจริง!

 

 

หมายเหตุ: ข้อมูลในบทความนี้อาจจะผิด โปรดตรวจสอบความถูกต้องของบทความอีกครั้งหนึ่ง บทความนี้ไม่สามารถนำไปใช้อ้างอิงใด ๆ ได้ ทาง EPT ไม่ขอยืนยันความถูกต้อง และไม่ขอรับผิดชอบต่อความเสียหายใดที่เกิดจากบทความชุดนี้ทั้งทางทรัพย์สิน ร่างกาย หรือจิตใจของผู้อ่านและผู้เกี่ยวข้อง

หากเจอข้อผิดพลาด หรือต้องการพูดคุย ติดต่อได้ที่ https://m.me/expert.Programming.Tutor/