CS_learn/hello-algo
1
0
Fork 0
mirror of https://github.com/krahets/hello-algo.git synced 2026-07-08 20:16:30 +08:00
Code Issues Packages Projects Releases Wiki Activity
Files
cb5235bc3f6fc04511b7bb99e2ef2f414cfc80d2
hello-algo/ja/docs/chapter_heap/heap.md
krahets 9d21ca86b0 build
2026-04-03 18:46:15 +08:00

1780 lines
82 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
---
comments: true
---
# 8.1   ヒープ
<u>ヒープ（heap）</u>は、特定の条件を満たす完全二分木であり、主に次の 2 種類に分けられます。
- <u>最小ヒープ（min heap）</u>：任意のノードの値 $\leq$ その子ノードの値。
- <u>最大ヒープ（max heap）</u>：任意のノードの値 $\geq$ その子ノードの値。
![最小ヒープと最大ヒープ](heap.assets/min_heap_and_max_heap.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 図 8-1 &nbsp; 最小ヒープと最大ヒープ </p>
ヒープは完全二分木の特殊な例であり、次の性質を持ちます。
- 最下層のノードは左から順に埋められ、ほかの層のノードはすべて埋まっています。
- 二分木の根ノードを「ヒープ頂点」、最下層で最も右にあるノードを「ヒープ底」と呼びます。
- 最大ヒープ（最小ヒープ）では、ヒープ頂点の要素（根ノード）の値が最大（最小）です。
## 8.1.1 &nbsp; ヒープの基本操作
ここで注意したいのは、多くのプログラミング言語が提供しているのは<u>優先度付きキュー（priority queue）</u>であり、これは優先度順に並ぶキューとして定義される抽象データ構造だということです。
実際には、**ヒープは通常、優先度付きキューの実装に用いられ、最大ヒープは要素が大きい順に取り出される優先度付きキューに相当します**。利用の観点では、「優先度付きキュー」と「ヒープ」は等価なデータ構造とみなせます。そのため、本書では両者を特に区別せず、まとめて「ヒープ」と呼びます。
ヒープの基本操作を以下の表に示します。メソッド名はプログラミング言語によって異なります。
<p align="center"> 表 8-1 &nbsp; ヒープの操作効率 </p>
<div class="center-table" markdown>
| メソッド名 | 説明 | 時間計算量 |
| ----------- | ------------------------------------------------ | ----------- |
| `push()` | 要素をヒープに追加 | $O(\log n)$ |
| `pop()` | ヒープ頂点の要素を取り出す | $O(\log n)$ |
| `peek()` | ヒープ頂点の要素にアクセス（最大 / 最小ヒープではそれぞれ最大 / 最小値） | $O(1)$ |
| `size()` | ヒープ内の要素数を取得 | $O(1)$ |
| `isEmpty()` | ヒープが空かどうかを判定 | $O(1)$ |
</div>
実際の応用では、プログラミング言語が提供するヒープクラス（または優先度付きキュークラス）をそのまま使えます。
ソートアルゴリズムにおける「昇順」と「降順」と同様に、`flag` を設定したり `Comparator` を変更したりすることで、「最小ヒープ」と「最大ヒープ」を切り替えられます。コードは以下のとおりです：
=== "Python"
```python title="heap.py"
# 最小ヒープを初期化
min_heap, flag = [], 1
# 最大ヒープを初期化
max_heap, flag = [], -1
# Python の heapq モジュールはデフォルトで最小ヒープを実装している
# 「要素を負にして」からヒープに追加すると、大小関係を反転させて最大ヒープを実現できる
# この例では、flag = 1 のときは最小ヒープ、flag = -1 のときは最大ヒープに対応する
# 要素をヒープに追加
heapq.heappush(max_heap, flag * 1)
heapq.heappush(max_heap, flag * 3)
heapq.heappush(max_heap, flag * 2)
heapq.heappush(max_heap, flag * 5)
heapq.heappush(max_heap, flag * 4)
# ヒープ頂点の要素を取得
peek: int = flag * max_heap[0] # 5
# ヒープ頂点の要素を取り出す
# 取り出された要素は大きい順の列になる
val = flag * heapq.heappop(max_heap) # 5
val = flag * heapq.heappop(max_heap) # 4
val = flag * heapq.heappop(max_heap) # 3
val = flag * heapq.heappop(max_heap) # 2
val = flag * heapq.heappop(max_heap) # 1
# ヒープのサイズを取得
size: int = len(max_heap)
# ヒープが空かどうかを判定
is_empty: bool = not max_heap
# 入力リストからヒープを構築
min_heap: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
heapq.heapify(min_heap)
```
=== "C++"
```cpp title="heap.cpp"
/* ヒープを初期化 */
// 最小ヒープを初期化
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> minHeap;
// 最大ヒープを初期化
priority_queue<int, vector<int>, less<int>> maxHeap;
/* 要素をヒープに追加 */
maxHeap.push(1);
maxHeap.push(3);
maxHeap.push(2);
maxHeap.push(5);
maxHeap.push(4);
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
int peek = maxHeap.top(); // 5
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
// 取り出された要素は大きい順の列になる
maxHeap.pop(); // 5
maxHeap.pop(); // 4
maxHeap.pop(); // 3
maxHeap.pop(); // 2
maxHeap.pop(); // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
int size = maxHeap.size();
/* ヒープが空かどうかを判定 */
bool isEmpty = maxHeap.empty();
/* 入力リストからヒープを構築 */
vector<int> input{1, 3, 2, 5, 4};
priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> minHeap(input.begin(), input.end());
```
=== "Java"
```java title="heap.java"
/* ヒープを初期化 */
// 最小ヒープを初期化
Queue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>();
// 最大ヒープを初期化（lambda 式で Comparator を変更すればよい）
Queue<Integer> maxHeap = new PriorityQueue<>((a, b) -> b - a);
/* 要素をヒープに追加 */
maxHeap.offer(1);
maxHeap.offer(3);
maxHeap.offer(2);
maxHeap.offer(5);
maxHeap.offer(4);
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
int peek = maxHeap.peek(); // 5
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
// 取り出された要素は大きい順の列になる
peek = maxHeap.poll(); // 5
peek = maxHeap.poll(); // 4
peek = maxHeap.poll(); // 3
peek = maxHeap.poll(); // 2
peek = maxHeap.poll(); // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
int size = maxHeap.size();
/* ヒープが空かどうかを判定 */
boolean isEmpty = maxHeap.isEmpty();
/* 入力リストからヒープを構築 */
minHeap = new PriorityQueue<>(Arrays.asList(1, 3, 2, 5, 4));
```
=== "C#"
```csharp title="heap.cs"
/* ヒープを初期化 */
// 最小ヒープを初期化
PriorityQueue<int, int> minHeap = new();
// 最大ヒープを初期化（lambda 式で Comparer を変更すればよい）
PriorityQueue<int, int> maxHeap = new(Comparer<int>.Create((x, y) => y.CompareTo(x)));
/* 要素をヒープに追加 */
maxHeap.Enqueue(1, 1);
maxHeap.Enqueue(3, 3);
maxHeap.Enqueue(2, 2);
maxHeap.Enqueue(5, 5);
maxHeap.Enqueue(4, 4);
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
int peek = maxHeap.Peek();//5
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
// 取り出された要素は大きい順の列になる
peek = maxHeap.Dequeue(); // 5
peek = maxHeap.Dequeue(); // 4
peek = maxHeap.Dequeue(); // 3
peek = maxHeap.Dequeue(); // 2
peek = maxHeap.Dequeue(); // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
int size = maxHeap.Count;
/* ヒープが空かどうかを判定 */
bool isEmpty = maxHeap.Count == 0;
/* 入力リストからヒープを構築 */
minHeap = new PriorityQueue<int, int>([(1, 1), (3, 3), (2, 2), (5, 5), (4, 4)]);
```
=== "Go"
```go title="heap.go"
// Go では、heap.Interface を実装することで整数の最大ヒープを構築できる
// heap.Interface を実装するには、同時に sort.Interface も実装する必要がある
type intHeap []any
// Push は heap.Interface のメソッドで、要素をヒープに追加する
func (h *intHeap) Push(x any) {
// Push と Pop は pointer receiver を引数に取る
// スライスの内容を調整するだけでなく、スライスの長さも変更するため。
*h = append(*h, x.(int))
}
// Pop は heap.Interface のメソッドで、ヒープ頂点の要素を取り出す
func (h *intHeap) Pop() any {
// 取り出す要素は末尾に格納されている
last := (*h)[len(*h)-1]
*h = (*h)[:len(*h)-1]
return last
}
// Len は sort.Interface のメソッド
func (h *intHeap) Len() int {
return len(*h)
}
// Less は sort.Interface のメソッド
func (h *intHeap) Less(i, j int) bool {
// 最小ヒープを実装する場合は、不等号を小なりに変更する
return (*h)[i].(int) > (*h)[j].(int)
}
// Swap は sort.Interface のメソッド
func (h *intHeap) Swap(i, j int) {
(*h)[i], (*h)[j] = (*h)[j], (*h)[i]
}
// Top はヒープ頂点の要素を取得
func (h *intHeap) Top() any {
return (*h)[0]
}
/* Driver Code */
func TestHeap(t *testing.T) {
/* ヒープを初期化 */
// 最大ヒープを初期化
maxHeap := &intHeap{}
heap.Init(maxHeap)
/* 要素をヒープに追加 */
// heap.Interface のメソッドを呼び出して要素を追加する
heap.Push(maxHeap, 1)
heap.Push(maxHeap, 3)
heap.Push(maxHeap, 2)
heap.Push(maxHeap, 4)
heap.Push(maxHeap, 5)
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
top := maxHeap.Top()
fmt.Printf("ヒープ頂点の要素は %d\n", top)
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
// heap.Interface のメソッドを呼び出して要素を削除する
heap.Pop(maxHeap) // 5
heap.Pop(maxHeap) // 4
heap.Pop(maxHeap) // 3
heap.Pop(maxHeap) // 2
heap.Pop(maxHeap) // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
size := len(*maxHeap)
fmt.Printf("ヒープ内の要素数は %d\n", size)
/* ヒープが空かどうかを判定 */
isEmpty := len(*maxHeap) == 0
fmt.Printf("ヒープは空か %t\n", isEmpty)
}
```
=== "Swift"
```swift title="heap.swift"
/* ヒープを初期化 */
// Swift の Heap 型は最大ヒープと最小ヒープの両方をサポートしており、swift-collections の導入が必要
var heap = Heap<Int>()
/* 要素をヒープに追加 */
heap.insert(1)
heap.insert(3)
heap.insert(2)
heap.insert(5)
heap.insert(4)
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
var peek = heap.max()!
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
peek = heap.removeMax() // 5
peek = heap.removeMax() // 4
peek = heap.removeMax() // 3
peek = heap.removeMax() // 2
peek = heap.removeMax() // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
let size = heap.count
/* ヒープが空かどうかを判定 */
let isEmpty = heap.isEmpty
/* 入力リストからヒープを構築 */
let heap2 = Heap([1, 3, 2, 5, 4])
```
=== "JS"
```javascript title="heap.js"
// JavaScript には組み込みの Heap クラスがない
```
=== "TS"
```typescript title="heap.ts"
// TypeScript には組み込みの Heap クラスがない
```
=== "Dart"
```dart title="heap.dart"
// Dart には組み込みの Heap クラスがない
```
=== "Rust"
```rust title="heap.rs"
use std::collections::BinaryHeap;
use std::cmp::Reverse;
/* ヒープを初期化 */
// 最小ヒープを初期化
let mut min_heap = BinaryHeap::<Reverse<i32>>::new();
// 最大ヒープを初期化
let mut max_heap = BinaryHeap::new();
/* 要素をヒープに追加 */
max_heap.push(1);
max_heap.push(3);
max_heap.push(2);
max_heap.push(5);
max_heap.push(4);
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
let peek = max_heap.peek().unwrap(); // 5
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
// 取り出された要素は大きい順の列になる
let peek = max_heap.pop().unwrap(); // 5
let peek = max_heap.pop().unwrap(); // 4
let peek = max_heap.pop().unwrap(); // 3
let peek = max_heap.pop().unwrap(); // 2
let peek = max_heap.pop().unwrap(); // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
let size = max_heap.len();
/* ヒープが空かどうかを判定 */
let is_empty = max_heap.is_empty();
/* 入力リストからヒープを構築 */
let min_heap = BinaryHeap::from(vec![Reverse(1), Reverse(3), Reverse(2), Reverse(5), Reverse(4)]);
```
=== "C"
```c title="heap.c"
// C には組み込みの Heap クラスがない
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="heap.kt"
/* ヒープを初期化 */
// 最小ヒープを初期化
var minHeap = PriorityQueue<Int>()
// 最大ヒープを初期化（lambda 式で Comparator を変更すればよい）
val maxHeap = PriorityQueue { a: Int, b: Int -> b - a }
/* 要素をヒープに追加 */
maxHeap.offer(1)
maxHeap.offer(3)
maxHeap.offer(2)
maxHeap.offer(5)
maxHeap.offer(4)
/* ヒープ頂点の要素を取得 */
var peek = maxHeap.peek() // 5
/* ヒープ頂点の要素を取り出す */
// 取り出された要素は大きい順の列になる
peek = maxHeap.poll() // 5
peek = maxHeap.poll() // 4
peek = maxHeap.poll() // 3
peek = maxHeap.poll() // 2
peek = maxHeap.poll() // 1
/* ヒープのサイズを取得 */
val size = maxHeap.size
/* ヒープが空かどうかを判定 */
val isEmpty = maxHeap.isEmpty()
/* 入力リストからヒープを構築 */
minHeap = PriorityQueue(mutableListOf(1, 3, 2, 5, 4))
```
=== "Ruby"
```ruby title="heap.rb"
# Ruby には組み込みの Heap クラスがない
```
??? pythontutor "実行を可視化"
https://pythontutor.com/render.html#code=import%20heapq%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%B0%8F%E9%A1%B6%E5%A0%86%0A%20%20%20%20min_heap,%20flag%20%3D%20%5B%5D,%201%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%A4%A7%E9%A1%B6%E5%A0%86%0A%20%20%20%20max_heap,%20flag%20%3D%20%5B%5D,%20-1%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20Python%20%E7%9A%84%20heapq%20%E6%A8%A1%E5%9D%97%E9%BB%98%E8%AE%A4%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E5%B0%8F%E9%A1%B6%E5%A0%86%0A%20%20%20%20%23%20%E8%80%83%E8%99%91%E5%B0%86%E2%80%9C%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%8F%96%E8%B4%9F%E2%80%9D%E5%90%8E%E5%86%8D%E5%85%A5%E5%A0%86%EF%BC%8C%E8%BF%99%E6%A0%B7%E5%B0%B1%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E5%B0%86%E5%A4%A7%E5%B0%8F%E5%85%B3%E7%B3%BB%E9%A2%A0%E5%80%92%EF%BC%8C%E4%BB%8E%E8%80%8C%E5%AE%9E%E7%8E%B0%E5%A4%A7%E9%A1%B6%E5%A0%86%0A%20%20%20%20%23%20%E5%9C%A8%E6%9C%AC%E7%A4%BA%E4%BE%8B%E4%B8%AD%EF%BC%8Cflag%20%3D%201%20%E6%97%B6%E5%AF%B9%E5%BA%94%E5%B0%8F%E9%A1%B6%E5%A0%86%EF%BC%8Cflag%20%3D%20-1%20%E6%97%B6%E5%AF%B9%E5%BA%94%E5%A4%A7%E9%A1%B6%E5%A0%86%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%85%A5%E5%A0%86%0A%20%20%20%20heapq.heappush%28max_heap,%20flag%20*%201%29%0A%20%20%20%20heapq.heappush%28max_heap,%20flag%20*%203%29%0A%20%20%20%20heapq.heappush%28max_heap,%20flag%20*%202%29%0A%20%20%20%20heapq.heappush%28max_heap,%20flag%20*%205%29%0A%20%20%20%20heapq.heappush%28max_heap,%20flag%20*%204%29%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E5%A0%86%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20flag%20*%20max_heap%5B0%5D%20%23%205%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E5%A0%86%E9%A1%B6%E5%85%83%E7%B4%A0%E5%87%BA%E5%A0%86%0A%20%20%20%20%23%20%E5%87%BA%E5%A0%86%E5%85%83%E7%B4%A0%E4%BC%9A%E5%BD%A2%E6%88%90%E4%B8%80%E4%B8%AA%E4%BB%8E%E5%A4%A7%E5%88%B0%E5%B0%8F%E7%9A%84%E5%BA%8F%E5%88%97%0A%20%20%20%20val%20%3D%20flag%20*%20heapq.heappop%28max_heap%29%20%23%205%0A%20%20%20%20val%20%3D%20flag%20*%20heapq.heappop%28max_heap%29%20%23%204%0A%20%20%20%20val%20%3D%20flag%20*%20heapq.heappop%28max_heap%29%20%23%203%0A%20%20%20%20val%20%3D%20flag%20*%20heapq.heappop%28max_heap%29%20%23%202%0A%20%20%20%20val%20%3D%20flag%20*%20heapq.heappop%28max_heap%29%20%23%201%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E8%8E%B7%E5%8F%96%E5%A0%86%E5%A4%A7%E5%B0%8F%0A%20%20%20%20size%20%3D%20len%28max_heap%29%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A4%E6%96%AD%E5%A0%86%E6%98%AF%E5%90%A6%E4%B8%BA%E7%A9%BA%0A%20%20%20%20is_empty%20%3D%20not%20max_heap%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E8%BE%93%E5%85%A5%E5%88%97%E8%A1%A8%E5%B9%B6%E5%BB%BA%E5%A0%86%0A%20%20%20%20min_heap%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D%0A%20%20%20%20heapq.heapify%28min_heap%29&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
## 8.1.2 &nbsp; ヒープの実装
以下では最大ヒープを実装します。最小ヒープに変換したい場合は、すべての大小比較ロジックを反転させるだけです（たとえば、$\geq$ を $\leq$ に置き換えます）。興味のある読者は自分で実装してみてください。
### 1. &nbsp; ヒープの格納と表現
「二分木」の章で述べたように、完全二分木は配列で表現するのに非常に適しています。ヒープはまさに完全二分木の一種なので、**ここでは配列を使ってヒープを格納します**。
配列で二分木を表す場合、要素はノードの値を表し、インデックスは二分木におけるノードの位置を表します。**ノード間の参照関係はインデックスの対応式によって実現できます**。
次の図に示すように、インデックス $i$ に対して、左子ノードのインデックスは $2i + 1$ 、右子ノードのインデックスは $2i + 2$ 、親ノードのインデックスは $(i - 1) / 2$（切り捨て除算）です。インデックスが範囲外であれば、空ノードまたはノードが存在しないことを表します。
![ヒープの表現と格納](heap.assets/representation_of_heap.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 図 8-2 &nbsp; ヒープの表現と格納 </p>
インデックスの対応式は関数にまとめておくと、後続で使いやすくなります：
=== "Python"
```python title="my_heap.py"
def left(self, i: int) -> int:
"""左子ノードのインデックスを取得"""
return 2 * i + 1
def right(self, i: int) -> int:
"""右子ノードのインデックスを取得"""
return 2 * i + 2
def parent(self, i: int) -> int:
"""親ノードのインデックスを取得"""
return (i - 1) // 2 # 切り捨て除算
```
=== "C++"
```cpp title="my_heap.cpp"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
int left(int i) {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
int right(int i) {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
int parent(int i) {
return (i - 1) / 2; // 切り捨て除算
}
```
=== "Java"
```java title="my_heap.java"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
int left(int i) {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
int right(int i) {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
int parent(int i) {
return (i - 1) / 2; // 切り捨て除算
}
```
=== "C#"
```csharp title="my_heap.cs"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
int Left(int i) {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
int Right(int i) {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
int Parent(int i) {
return (i - 1) / 2; // 切り捨て除算
}
```
=== "Go"
```go title="my_heap.go"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
func (h *maxHeap) left(i int) int {
return 2*i + 1
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
func (h *maxHeap) right(i int) int {
return 2*i + 2
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
func (h *maxHeap) parent(i int) int {
// 切り捨て除算
return (i - 1) / 2
}
```
=== "Swift"
```swift title="my_heap.swift"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
func left(i: Int) -> Int {
2 * i + 1
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
func right(i: Int) -> Int {
2 * i + 2
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
func parent(i: Int) -> Int {
(i - 1) / 2 // 切り捨て除算
}
```
=== "JS"
```javascript title="my_heap.js"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
#left(i) {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
#right(i) {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
#parent(i) {
return Math.floor((i - 1) / 2); // 切り捨て除算
}
```
=== "TS"
```typescript title="my_heap.ts"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
left(i: number): number {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
right(i: number): number {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
parent(i: number): number {
return Math.floor((i - 1) / 2); // 切り捨て除算
}
```
=== "Dart"
```dart title="my_heap.dart"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
int _left(int i) {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
int _right(int i) {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
int _parent(int i) {
return (i - 1) ~/ 2; // 切り捨て除算
}
```
=== "Rust"
```rust title="my_heap.rs"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
fn left(i: usize) -> usize {
2 * i + 1
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
fn right(i: usize) -> usize {
2 * i + 2
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
fn parent(i: usize) -> usize {
(i - 1) / 2 // 切り捨て除算
}
```
=== "C"
```c title="my_heap.c"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
int left(MaxHeap *maxHeap, int i) {
return 2 * i + 1;
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
int right(MaxHeap *maxHeap, int i) {
return 2 * i + 2;
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
int parent(MaxHeap *maxHeap, int i) {
return (i - 1) / 2; // 切り捨て
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="my_heap.kt"
/* 左子ノードのインデックスを取得 */
fun left(i: Int): Int {
return 2 * i + 1
}
/* 右子ノードのインデックスを取得 */
fun right(i: Int): Int {
return 2 * i + 2
}
/* 親ノードのインデックスを取得 */
fun parent(i: Int): Int {
return (i - 1) / 2 // 切り捨て除算
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="my_heap.rb"
### 左子ノードのインデックスを取得 ###
def left(i)
2 * i + 1
end
### 右子ノードのインデックスを取得 ###
def right(i)
2 * i + 2
end
### 親ノードのインデックスを取得 ###
def parent(i)
(i - 1) / 2 # 切り捨て除算
end
```
### 2. &nbsp; ヒープ頂点の要素にアクセス
ヒープ頂点の要素は二分木の根ノード、すなわちリストの先頭要素です：
=== "Python"
```python title="my_heap.py"
def peek(self) -> int:
"""ヒープ先頭要素にアクセス"""
return self.max_heap[0]
```
=== "C++"
```cpp title="my_heap.cpp"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
int peek() {
return maxHeap[0];
}
```
=== "Java"
```java title="my_heap.java"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
int peek() {
return maxHeap.get(0);
}
```
=== "C#"
```csharp title="my_heap.cs"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
int Peek() {
return maxHeap[0];
}
```
=== "Go"
```go title="my_heap.go"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
func (h *maxHeap) peek() any {
return h.data[0]
}
```
=== "Swift"
```swift title="my_heap.swift"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
func peek() -> Int {
maxHeap[0]
}
```
=== "JS"
```javascript title="my_heap.js"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
peek() {
return this.#maxHeap[0];
}
```
=== "TS"
```typescript title="my_heap.ts"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
peek(): number {
return this.maxHeap[0];
}
```
=== "Dart"
```dart title="my_heap.dart"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
int peek() {
return _maxHeap[0];
}
```
=== "Rust"
```rust title="my_heap.rs"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
fn peek(&self) -> Option<i32> {
self.max_heap.first().copied()
}
```
=== "C"
```c title="my_heap.c"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
int peek(MaxHeap *maxHeap) {
return maxHeap->data[0];
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="my_heap.kt"
/* ヒープ先頭要素にアクセス */
fun peek(): Int {
return maxHeap[0]
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="my_heap.rb"
### ヒープ先頭要素を参照 ###
def peek
@max_heap[0]
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20MaxHeap%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20nums%3A%20list%5Bint%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%A9%E3%82%AF%E3%82%BF%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%AA%E3%82%B9%E3%83%88%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%81%9D%E3%81%AE%E3%81%BE%E3%81%BE%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%20%3D%20nums%0A%0A%20%20%20%20def%20left%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%B7%A6%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%201%0A%0A%20%20%20%20def%20right%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%8F%B3%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%202%0A%0A%20%20%20%20def%20parent%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%AA%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20%28i%20-%201%29%20%2F%2F%202%20%20%23%20%E5%88%87%E3%82%8A%E6%8D%A8%E3%81%A6%E9%99%A4%E7%AE%97%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AE%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%BA%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self.max_heap%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%8B%E3%81%A9%E3%81%86%E3%81%8B%E3%82%92%E5%88%A4%E5%AE%9A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.size%28%29%20%3D%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20peek%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%85%88%E9%A0%AD%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%81%AB%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%BB%E3%82%B9%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.max_heap%5B0%5D%0A%0A%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%82%92%E5%88%9D%E6%9C%9F%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%A5%E5%8A%9B%E9%85%8D%E5%88%97%E3%81%AF%E3%81%99%E3%81%A7%E3%81%AB%E6%AD%A3%E5%BD%93%E3%81%AA%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%A7%E3%81%82%E3%82%8B%E7%82%B9%E3%81%AB%E6%B3%A8%E6%84%8F%0A%20%20%20%20max_heap%20%3D%20MaxHeap%28%5B9%2C%208%2C%206%2C%206%2C%207%2C%205%2C%202%2C%201%2C%204%2C%203%2C%206%2C%202%5D%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E9%A0%82%E7%82%B9%E3%81%AE%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20max_heap.peek%28%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%5Cn%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%85%88%E9%A0%AD%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%81%AF%20%7Bpeek%7D%22%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=7&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20MaxHeap%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20nums%3A%20list%5Bint%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%A9%E3%82%AF%E3%82%BF%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%AA%E3%82%B9%E3%83%88%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%81%9D%E3%81%AE%E3%81%BE%E3%81%BE%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%20%3D%20nums%0A%0A%20%20%20%20def%20left%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%B7%A6%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%201%0A%0A%20%20%20%20def%20right%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%8F%B3%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%202%0A%0A%20%20%20%20def%20parent%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%AA%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20%28i%20-%201%29%20%2F%2F%202%20%20%23%20%E5%88%87%E3%82%8A%E6%8D%A8%E3%81%A6%E9%99%A4%E7%AE%97%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AE%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%BA%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self.max_heap%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%8B%E3%81%A9%E3%81%86%E3%81%8B%E3%82%92%E5%88%A4%E5%AE%9A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.size%28%29%20%3D%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20peek%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%85%88%E9%A0%AD%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%81%AB%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%BB%E3%82%B9%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.max_heap%5B0%5D%0A%0A%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%82%92%E5%88%9D%E6%9C%9F%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%A5%E5%8A%9B%E9%85%8D%E5%88%97%E3%81%AF%E3%81%99%E3%81%A7%E3%81%AB%E6%AD%A3%E5%BD%93%E3%81%AA%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%A7%E3%81%82%E3%82%8B%E7%82%B9%E3%81%AB%E6%B3%A8%E6%84%8F%0A%20%20%20%20max_heap%20%3D%20MaxHeap%28%5B9%2C%208%2C%206%2C%206%2C%207%2C%205%2C%202%2C%201%2C%204%2C%203%2C%206%2C%202%5D%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E9%A0%82%E7%82%B9%E3%81%AE%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20max_heap.peek%28%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%5Cn%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%85%88%E9%A0%AD%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%81%AF%20%7Bpeek%7D%22%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=7&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全画面で見る ></a></div>
### 3. &nbsp; 要素をヒープに追加
与えられた要素 `val` を、まずヒープの底に追加します。追加後、`val` がヒープ内のほかの要素より大きい可能性があるため、ヒープ条件が崩れているかもしれません。**そのため、挿入ノードから根ノードまでの経路上にある各ノードを修復する必要があります**。この操作を<u>ヒープ化（heapify）</u>と呼びます。
ヒープへ追加したノードから始めて、**下から上へヒープ化**を行います。次の図のように、挿入ノードとその親ノードの値を比較し、挿入ノードのほうが大きければそれらを交換します。その後もこの操作を繰り返し、下から上へ各ノードを修復して、根ノードを越えるか交換不要のノードに達した時点で終了します。
=== "<1>"
![要素をヒープに追加する手順](heap.assets/heap_push_step1.png){ class="animation-figure" }
=== "<2>"
![heap_push_step2](heap.assets/heap_push_step2.png){ class="animation-figure" }
=== "<3>"
![heap_push_step3](heap.assets/heap_push_step3.png){ class="animation-figure" }
=== "<4>"
![heap_push_step4](heap.assets/heap_push_step4.png){ class="animation-figure" }
=== "<5>"
![heap_push_step5](heap.assets/heap_push_step5.png){ class="animation-figure" }
=== "<6>"
![heap_push_step6](heap.assets/heap_push_step6.png){ class="animation-figure" }
=== "<7>"
![heap_push_step7](heap.assets/heap_push_step7.png){ class="animation-figure" }
=== "<8>"
![heap_push_step8](heap.assets/heap_push_step8.png){ class="animation-figure" }
=== "<9>"
![heap_push_step9](heap.assets/heap_push_step9.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 図 8-3 &nbsp; 要素をヒープに追加する手順 </p>
ノード総数を $n$ とすると、木の高さは $O(\log n)$ です。したがって、ヒープ化操作のループ回数は高々 $O(\log n)$ であり、**要素をヒープに追加する操作の時間計算量は $O(\log n)$** です。コードは以下のとおりです：
=== "Python"
```python title="my_heap.py"
def push(self, val: int):
"""要素をヒープに追加"""
# ノードを追加
self.max_heap.append(val)
# 下から上へヒープ化
self.sift_up(self.size() - 1)
def sift_up(self, i: int):
"""ノード i から始めて、下から上へヒープ化"""
while True:
# ノード i の親ノードを取得
p = self.parent(i)
# 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if p < 0 or self.max_heap[i] <= self.max_heap[p]:
break
# 2 つのノードを交換
self.swap(i, p)
# ループで下から上へヒープ化
i = p
```
=== "C++"
```cpp title="my_heap.cpp"
/* 要素をヒープに追加 */
void push(int val) {
// ノードを追加
maxHeap.push_back(val);
// 下から上へヒープ化
siftUp(size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
void siftUp(int i) {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
int p = parent(i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p])
break;
// 2 つのノードを交換
swap(maxHeap[i], maxHeap[p]);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "Java"
```java title="my_heap.java"
/* 要素をヒープに追加 */
void push(int val) {
// ノードを追加
maxHeap.add(val);
// 下から上へヒープ化
siftUp(size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
void siftUp(int i) {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
int p = parent(i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || maxHeap.get(i) <= maxHeap.get(p))
break;
// 2 つのノードを交換
swap(i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "C#"
```csharp title="my_heap.cs"
/* 要素をヒープに追加 */
void Push(int val) {
// ノードを追加
maxHeap.Add(val);
// 下から上へヒープ化
SiftUp(Size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
void SiftUp(int i) {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
int p = Parent(i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」な場合は、ヒープ化を終了する
if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p])
break;
// 2 つのノードを交換
Swap(i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "Go"
```go title="my_heap.go"
/* 要素をヒープに追加 */
func (h *maxHeap) push(val any) {
// ノードを追加
h.data = append(h.data, val)
// 下から上へヒープ化
h.siftUp(len(h.data) - 1)
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
func (h *maxHeap) siftUp(i int) {
for true {
// ノード i の親ノードを取得
p := h.parent(i)
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if p < 0 || h.data[i].(int) <= h.data[p].(int) {
break
}
// 2 つのノードを交換
h.swap(i, p)
// ループで下から上へヒープ化
i = p
}
}
```
=== "Swift"
```swift title="my_heap.swift"
/* 要素をヒープに追加 */
func push(val: Int) {
// ノードを追加
maxHeap.append(val)
// 下から上へヒープ化
siftUp(i: size() - 1)
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
func siftUp(i: Int) {
var i = i
while true {
// ノード i の親ノードを取得
let p = parent(i: i)
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p] {
break
}
// 2 つのノードを交換
swap(i: i, j: p)
// ループで下から上へヒープ化
i = p
}
}
```
=== "JS"
```javascript title="my_heap.js"
/* 要素をヒープに追加 */
push(val) {
// ノードを追加
this.#maxHeap.push(val);
// 下から上へヒープ化
this.#siftUp(this.size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
#siftUp(i) {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
const p = this.#parent(i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || this.#maxHeap[i] <= this.#maxHeap[p]) break;
// 2 つのノードを交換
this.#swap(i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "TS"
```typescript title="my_heap.ts"
/* 要素をヒープに追加 */
push(val: number): void {
// ノードを追加
this.maxHeap.push(val);
// 下から上へヒープ化
this.siftUp(this.size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
siftUp(i: number): void {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
const p = this.parent(i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || this.maxHeap[i] <= this.maxHeap[p]) break;
// 2 つのノードを交換
this.swap(i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "Dart"
```dart title="my_heap.dart"
/* 要素をヒープに追加 */
void push(int val) {
// ノードを追加
_maxHeap.add(val);
// 下から上へヒープ化
siftUp(size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
void siftUp(int i) {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
int p = _parent(i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || _maxHeap[i] <= _maxHeap[p]) {
break;
}
// 2 つのノードを交換
_swap(i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "Rust"
```rust title="my_heap.rs"
/* 要素をヒープに追加 */
fn push(&mut self, val: i32) {
// ノードを追加
self.max_heap.push(val);
// 下から上へヒープ化
self.sift_up(self.size() - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
fn sift_up(&mut self, mut i: usize) {
loop {
// ノード i はすでにヒープの先頭ノードなので、ヒープ化を終了する
if i == 0 {
break;
}
// ノード i の親ノードを取得
let p = Self::parent(i);
// 「ノードの修復が不要」になったら、ヒープ化を終了
if self.max_heap[i] <= self.max_heap[p] {
break;
}
// 2 つのノードを交換
self.swap(i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "C"
```c title="my_heap.c"
/* 要素をヒープに追加 */
void push(MaxHeap *maxHeap, int val) {
// 通常は、これほど多くのノードを追加すべきではない
if (maxHeap->size == MAX_SIZE) {
printf("heap is full!");
return;
}
// ノードを追加
maxHeap->data[maxHeap->size] = val;
maxHeap->size++;
// 下から上へヒープ化
siftUp(maxHeap, maxHeap->size - 1);
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
void siftUp(MaxHeap *maxHeap, int i) {
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
int p = parent(maxHeap, i);
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || maxHeap->data[i] <= maxHeap->data[p]) {
break;
}
// 2 つのノードを交換
swap(maxHeap, i, p);
// ループで下から上へヒープ化
i = p;
}
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="my_heap.kt"
/* 要素をヒープに追加 */
fun push(_val: Int) {
// ノードを追加
maxHeap.add(_val)
// 下から上へヒープ化
siftUp(size() - 1)
}
/* ノード i から始めて、下から上へヒープ化 */
fun siftUp(it: Int) {
// Kotlin の関数引数は不変のため、一時変数を作成する
var i = it
while (true) {
// ノード i の親ノードを取得
val p = parent(i)
// 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
if (p < 0 || maxHeap[i] <= maxHeap[p]) break
// 2 つのノードを交換
swap(i, p)
// ループで下から上へヒープ化
i = p
}
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="my_heap.rb"
### 要素をヒープに挿入 ###
def push(val)
# ノードを追加
@max_heap << val
# 下から上へヒープ化
sift_up(size - 1)
end
### ノード i から下から上へヒープ化 ###
def sift_up(i)
loop do
# ノード i の親ノードを取得
p = parent(i)
# 「根ノードを越えた」または「ノードの修復が不要」になったらヒープ化を終了
break if p < 0 || @max_heap[i] <= @max_heap[p]
# 2 つのノードを交換
swap(i, p)
# ループで下から上へヒープ化
i = p
end
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20MaxHeap%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20nums%3A%20list%5Bint%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%A9%E3%82%AF%E3%82%BF%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%AA%E3%82%B9%E3%83%88%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%81%9D%E3%81%AE%E3%81%BE%E3%81%BE%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%20%3D%20nums%0A%0A%20%20%20%20def%20left%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%B7%A6%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%201%0A%0A%20%20%20%20def%20right%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%8F%B3%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%202%0A%0A%20%20%20%20def%20parent%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%AA%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20%28i%20-%201%29%20%2F%2F%202%20%20%23%20%E5%88%87%E3%82%8A%E6%8D%A8%E3%81%A6%E9%99%A4%E7%AE%97%0A%0A%20%20%20%20def%20swap%28self%2C%20i%3A%20int%2C%20j%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E4%BA%A4%E6%8F%9B%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%5Bi%5D%2C%20self.max_heap%5Bj%5D%20%3D%20self.max_heap%5Bj%5D%2C%20self.max_heap%5Bi%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AE%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%BA%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self.max_heap%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%8B%E3%81%A9%E3%81%86%E3%81%8B%E3%82%92%E5%88%A4%E5%AE%9A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.size%28%29%20%3D%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20push%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap.append%28val%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E4%B8%8B%E3%81%8B%E3%82%89%E4%B8%8A%E3%81%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.sift_up%28self.size%28%29%20-%201%29%0A%0A%20%20%20%20def%20sift_up%28self%2C%20i%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%20i%20%E3%81%8B%E3%82%89%E5%A7%8B%E3%82%81%E3%81%A6%E3%80%81%E4%B8%8B%E3%81%8B%E3%82%89%E4%B8%8A%E3%81%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20while%20True%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%20i%20%E3%81%AE%E8%A6%AA%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20p%20%3D%20self.parent%28i%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%80%8C%E6%A0%B9%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E8%B6%8A%E3%81%88%E3%81%9F%E3%80%8D%E3%81%BE%E3%81%9F%E3%81%AF%E3%80%8C%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E4%BF%AE%E5%BE%A9%E3%81%8C%E4%B8%8D%E8%A6%81%E3%80%8D%E3%81%AB%E3%81%AA%E3%81%A3%E3%81%9F%E3%82%89%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%E3%82%92%E7%B5%82%E4%BA%86%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20p%20%3C%200%20or%20self.max_heap%5Bi%5D%20%3C%3D%20self.max_heap%5Bp%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20break%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%202%20%E3%81%A4%E3%81%AE%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E4%BA%A4%E6%8F%9B%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.swap%28i%2C%20p%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%A7%E4%B8%8B%E3%81%8B%E3%82%89%E4%B8%8A%E3%81%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%3D%20p%0A%0A%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%82%92%E5%88%9D%E6%9C%9F%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%A5%E5%8A%9B%E9%85%8D%E5%88%97%E3%81%AF%E3%81%99%E3%81%A7%E3%81%AB%E6%AD%A3%E5%BD%93%E3%81%AA%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%A7%E3%81%82%E3%82%8B%E7%82%B9%E3%81%AB%E6%B3%A8%E6%84%8F%0A%20%20%20%20max_heap%20%3D%20MaxHeap%28%5B9%2C%208%2C%206%2C%206%2C%207%2C%205%2C%202%2C%201%2C%204%2C%203%2C%206%2C%202%5D%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20val%20%3D%207%0A%20%20%20%20max_heap.push%28val%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=8&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20MaxHeap%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%22%22%22%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20nums%3A%20list%5Bint%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%A9%E3%82%AF%E3%82%BF%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%AA%E3%82%B9%E3%83%88%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%81%9D%E3%81%AE%E3%81%BE%E3%81%BE%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%20%3D%20nums%0A%0A%20%20%20%20def%20left%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%B7%A6%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%201%0A%0A%20%20%20%20def%20right%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E5%8F%B3%E5%AD%90%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%202%0A%0A%20%20%20%20def%20parent%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%AA%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%87%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20%28i%20-%201%29%20%2F%2F%202%20%20%23%20%E5%88%87%E3%82%8A%E6%8D%A8%E3%81%A6%E9%99%A4%E7%AE%97%0A%0A%20%20%20%20def%20swap%28self%2C%20i%3A%20int%2C%20j%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E4%BA%A4%E6%8F%9B%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%5Bi%5D%2C%20self.max_heap%5Bj%5D%20%3D%20self.max_heap%5Bj%5D%2C%20self.max_heap%5Bi%5D%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AE%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%82%BA%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self.max_heap%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%8B%E3%81%A9%E3%81%86%E3%81%8B%E3%82%92%E5%88%A4%E5%AE%9A%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.size%28%29%20%3D%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20push%28self%2C%20val%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap.append%28val%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E4%B8%8B%E3%81%8B%E3%82%89%E4%B8%8A%E3%81%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.sift_up%28self.size%28%29%20-%201%29%0A%0A%20%20%20%20def%20sift_up%28self%2C%20i%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%22%22%22%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%20i%20%E3%81%8B%E3%82%89%E5%A7%8B%E3%82%81%E3%81%A6%E3%80%81%E4%B8%8B%E3%81%8B%E3%82%89%E4%B8%8A%E3%81%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%22%22%22%0A%20%20%20%20%20%20%20%20while%20True%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%20i%20%E3%81%AE%E8%A6%AA%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E5%8F%96%E5%BE%97%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20p%20%3D%20self.parent%28i%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%80%8C%E6%A0%B9%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E8%B6%8A%E3%81%88%E3%81%9F%E3%80%8D%E3%81%BE%E3%81%9F%E3%81%AF%E3%80%8C%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%81%AE%E4%BF%AE%E5%BE%A9%E3%81%8C%E4%B8%8D%E8%A6%81%E3%80%8D%E3%81%AB%E3%81%AA%E3%81%A3%E3%81%9F%E3%82%89%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%E3%82%92%E7%B5%82%E4%BA%86%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20p%20%3C%200%20or%20self.max_heap%5Bi%5D%20%3C%3D%20self.max_heap%5Bp%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20break%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%202%20%E3%81%A4%E3%81%AE%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%89%E3%82%92%E4%BA%A4%E6%8F%9B%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.swap%28i%2C%20p%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%A7%E4%B8%8B%E3%81%8B%E3%82%89%E4%B8%8A%E3%81%B8%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%3D%20p%0A%0A%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9C%80%E5%A4%A7%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%82%92%E5%88%9D%E6%9C%9F%E5%8C%96%0A%20%20%20%20%23%20%E5%85%A5%E5%8A%9B%E9%85%8D%E5%88%97%E3%81%AF%E3%81%99%E3%81%A7%E3%81%AB%E6%AD%A3%E5%BD%93%E3%81%AA%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%A7%E3%81%82%E3%82%8B%E7%82%B9%E3%81%AB%E6%B3%A8%E6%84%8F%0A%20%20%20%20max_heap%20%3D%20MaxHeap%28%5B9%2C%208%2C%206%2C%206%2C%207%2C%205%2C%202%2C%201%2C%204%2C%203%2C%206%2C%202%5D%29%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%A6%81%E7%B4%A0%E3%82%92%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%AB%E8%BF%BD%E5%8A%A0%0A%20%20%20%20val%20%3D%207%0A%20%20%20%20max_heap.push%28val%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=8&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全画面で見る ></a></div>
### 4. &nbsp; ヒープ頂点の要素を取り出す
ヒープ頂点の要素は二分木の根ノード、すなわちリストの先頭要素です。もし先頭要素をそのまま削除すると、二分木内のすべてのノードのインデックスが変化してしまい、その後のヒープ化による修復が困難になります。要素インデックスの変動をできるだけ小さくするため、次の手順を取ります。
1. ヒープ頂点の要素とヒープ底の要素を交換する（根ノードと最も右の葉ノードを交換する）。
2. 交換後、ヒープ底をリストから削除する（すでに交換済みであるため、実際に削除されるのは元のヒープ頂点の要素であることに注意）。
3. 根ノードから開始し、**上から下へヒープ化**を行う。
次の図のように、**「上から下へのヒープ化」の方向は「下から上へのヒープ化」と逆**です。根ノードの値を 2 つの子ノードと比較し、最大の子ノードと根ノードを交換します。その後、この操作を繰り返し、葉ノードを越えるか交換不要のノードに達した時点で終了します。
=== "<1>"
![ヒープ頂点の要素を取り出す手順](heap.assets/heap_pop_step1.png){ class="animation-figure" }
=== "<2>"
![heap_pop_step2](heap.assets/heap_pop_step2.png){ class="animation-figure" }
=== "<3>"
![heap_pop_step3](heap.assets/heap_pop_step3.png){ class="animation-figure" }
=== "<4>"
![heap_pop_step4](heap.assets/heap_pop_step4.png){ class="animation-figure" }
=== "<5>"
![heap_pop_step5](heap.assets/heap_pop_step5.png){ class="animation-figure" }
=== "<6>"
![heap_pop_step6](heap.assets/heap_pop_step6.png){ class="animation-figure" }
=== "<7>"
![heap_pop_step7](heap.assets/heap_pop_step7.png){ class="animation-figure" }
=== "<8>"
![heap_pop_step8](heap.assets/heap_pop_step8.png){ class="animation-figure" }
=== "<9>"
![heap_pop_step9](heap.assets/heap_pop_step9.png){ class="animation-figure" }
=== "<10>"
![heap_pop_step10](heap.assets/heap_pop_step10.png){ class="animation-figure" }
<p align="center"> 図 8-4 &nbsp; ヒープ頂点の要素を取り出す手順 </p>
要素をヒープに追加する操作と同様に、ヒープ頂点の要素を取り出す操作の時間計算量も $O(\log n)$ です。コードは以下のとおりです：
=== "Python"
```python title="my_heap.py"
def pop(self) -> int:
"""要素をヒープから取り出す"""
# 空判定の処理
if self.is_empty():
raise IndexError("ヒープが空です")
# 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
self.swap(0, self.size() - 1)
# ノードを削除
val = self.max_heap.pop()
# 上から下へヒープ化
self.sift_down(0)
# ヒープ先頭要素を返す
return val
def sift_down(self, i: int):
"""ノード i から始めて、上から下へヒープ化"""
while True:
# ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
l, r, ma = self.left(i), self.right(i), i
if l < self.size() and self.max_heap[l] > self.max_heap[ma]:
ma = l
if r < self.size() and self.max_heap[r] > self.max_heap[ma]:
ma = r
# ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if ma == i:
break
# 2 つのノードを交換
self.swap(i, ma)
# ループで上から下へヒープ化
i = ma
```
=== "C++"
```cpp title="my_heap.cpp"
/* 要素をヒープから取り出す */
void pop() {
// 空判定の処理
if (isEmpty()) {
throw out_of_range("ヒープが空です");
}
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
swap(maxHeap[0], maxHeap[size() - 1]);
// ノードを削除
maxHeap.pop_back();
// 上から下へヒープ化
siftDown(0);
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
void siftDown(int i) {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
int l = left(i), r = right(i), ma = i;
if (l < size() && maxHeap[l] > maxHeap[ma])
ma = l;
if (r < size() && maxHeap[r] > maxHeap[ma])
ma = r;
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (ma == i)
break;
swap(maxHeap[i], maxHeap[ma]);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "Java"
```java title="my_heap.java"
/* 要素をヒープから取り出す */
int pop() {
// 空判定の処理
if (isEmpty())
throw new IndexOutOfBoundsException();
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
swap(0, size() - 1);
// ノードを削除
int val = maxHeap.remove(size() - 1);
// 上から下へヒープ化
siftDown(0);
// ヒープ先頭要素を返す
return val;
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
void siftDown(int i) {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
int l = left(i), r = right(i), ma = i;
if (l < size() && maxHeap.get(l) > maxHeap.get(ma))
ma = l;
if (r < size() && maxHeap.get(r) > maxHeap.get(ma))
ma = r;
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (ma == i)
break;
// 2 つのノードを交換
swap(i, ma);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "C#"
```csharp title="my_heap.cs"
/* 要素をヒープから取り出す */
int Pop() {
// 空判定の処理
if (IsEmpty())
throw new IndexOutOfRangeException();
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
Swap(0, Size() - 1);
// ノードを削除
int val = maxHeap.Last();
maxHeap.RemoveAt(Size() - 1);
// 上から下へヒープ化
SiftDown(0);
// ヒープ先頭要素を返す
return val;
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
void SiftDown(int i) {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
int l = Left(i), r = Right(i), ma = i;
if (l < Size() && maxHeap[l] > maxHeap[ma])
ma = l;
if (r < Size() && maxHeap[r] > maxHeap[ma])
ma = r;
// 「ノード i が最大」または「葉ノードを越えた」場合は、ヒープ化を終了する
if (ma == i) break;
// 2 つのノードを交換
Swap(i, ma);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "Go"
```go title="my_heap.go"
/* 要素をヒープから取り出す */
func (h *maxHeap) pop() any {
// 空判定の処理
if h.isEmpty() {
fmt.Println("error")
return nil
}
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
h.swap(0, h.size()-1)
// ノードを削除
val := h.data[len(h.data)-1]
h.data = h.data[:len(h.data)-1]
// 上から下へヒープ化
h.siftDown(0)
// ヒープ先頭要素を返す
return val
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
func (h *maxHeap) siftDown(i int) {
for true {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを max とする
l, r, max := h.left(i), h.right(i), i
if l < h.size() && h.data[l].(int) > h.data[max].(int) {
max = l
}
if r < h.size() && h.data[r].(int) > h.data[max].(int) {
max = r
}
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if max == i {
break
}
// 2 つのノードを交換
h.swap(i, max)
// ループで上から下へヒープ化
i = max
}
}
```
=== "Swift"
```swift title="my_heap.swift"
/* 要素をヒープから取り出す */
func pop() -> Int {
// 空判定の処理
if isEmpty() {
fatalError("ヒープが空です")
}
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
swap(i: 0, j: size() - 1)
// ノードを削除
let val = maxHeap.remove(at: size() - 1)
// 上から下へヒープ化
siftDown(i: 0)
// ヒープ先頭要素を返す
return val
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
func siftDown(i: Int) {
var i = i
while true {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
let l = left(i: i)
let r = right(i: i)
var ma = i
if l < size(), maxHeap[l] > maxHeap[ma] {
ma = l
}
if r < size(), maxHeap[r] > maxHeap[ma] {
ma = r
}
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if ma == i {
break
}
// 2 つのノードを交換
swap(i: i, j: ma)
// ループで上から下へヒープ化
i = ma
}
}
```
=== "JS"
```javascript title="my_heap.js"
/* 要素をヒープから取り出す */
pop() {
// 空判定の処理
if (this.isEmpty()) throw new Error('ヒープが空です');
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
this.#swap(0, this.size() - 1);
// ノードを削除
const val = this.#maxHeap.pop();
// 上から下へヒープ化
this.#siftDown(0);
// ヒープ先頭要素を返す
return val;
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
#siftDown(i) {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
const l = this.#left(i),
r = this.#right(i);
let ma = i;
if (l < this.size() && this.#maxHeap[l] > this.#maxHeap[ma]) ma = l;
if (r < this.size() && this.#maxHeap[r] > this.#maxHeap[ma]) ma = r;
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (ma === i) break;
// 2 つのノードを交換
this.#swap(i, ma);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "TS"
```typescript title="my_heap.ts"
/* 要素をヒープから取り出す */
pop(): number {
// 空判定の処理
if (this.isEmpty()) throw new RangeError('Heap is empty.');
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
this.swap(0, this.size() - 1);
// ノードを削除
const val = this.maxHeap.pop();
// 上から下へヒープ化
this.siftDown(0);
// ヒープ先頭要素を返す
return val;
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
siftDown(i: number): void {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
const l = this.left(i),
r = this.right(i);
let ma = i;
if (l < this.size() && this.maxHeap[l] > this.maxHeap[ma]) ma = l;
if (r < this.size() && this.maxHeap[r] > this.maxHeap[ma]) ma = r;
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (ma === i) break;
// 2 つのノードを交換
this.swap(i, ma);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "Dart"
```dart title="my_heap.dart"
/* 要素をヒープから取り出す */
int pop() {
// 空判定の処理
if (isEmpty()) throw Exception('ヒープが空です');
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
_swap(0, size() - 1);
// ノードを削除
int val = _maxHeap.removeLast();
// 上から下へヒープ化
siftDown(0);
// ヒープ先頭要素を返す
return val;
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
void siftDown(int i) {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
int l = _left(i);
int r = _right(i);
int ma = i;
if (l < size() && _maxHeap[l] > _maxHeap[ma]) ma = l;
if (r < size() && _maxHeap[r] > _maxHeap[ma]) ma = r;
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (ma == i) break;
// 2 つのノードを交換
_swap(i, ma);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "Rust"
```rust title="my_heap.rs"
/* 要素をヒープから取り出す */
fn pop(&mut self) -> i32 {
// 空判定の処理
if self.is_empty() {
panic!("index out of bounds");
}
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
self.swap(0, self.size() - 1);
// ノードを削除
let val = self.max_heap.pop().unwrap();
// 上から下へヒープ化
self.sift_down(0);
// ヒープ先頭要素を返す
val
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
fn sift_down(&mut self, mut i: usize) {
loop {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
let (l, r, mut ma) = (Self::left(i), Self::right(i), i);
if l < self.size() && self.max_heap[l] > self.max_heap[ma] {
ma = l;
}
if r < self.size() && self.max_heap[r] > self.max_heap[ma] {
ma = r;
}
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if ma == i {
break;
}
// 2 つのノードを交換
self.swap(i, ma);
// ループで上から下へヒープ化
i = ma;
}
}
```
=== "C"
```c title="my_heap.c"
/* 要素をヒープから取り出す */
int pop(MaxHeap *maxHeap) {
// 空判定の処理
if (isEmpty(maxHeap)) {
printf("heap is empty!");
return INT_MAX;
}
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
swap(maxHeap, 0, size(maxHeap) - 1);
// ノードを削除
int val = maxHeap->data[maxHeap->size - 1];
maxHeap->size--;
// 上から下へヒープ化
siftDown(maxHeap, 0);
// ヒープ先頭要素を返す
return val;
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
void siftDown(MaxHeap *maxHeap, int i) {
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを max とする
int l = left(maxHeap, i);
int r = right(maxHeap, i);
int max = i;
if (l < size(maxHeap) && maxHeap->data[l] > maxHeap->data[max]) {
max = l;
}
if (r < size(maxHeap) && maxHeap->data[r] > maxHeap->data[max]) {
max = r;
}
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (max == i) {
break;
}
// 2 つのノードを交換
swap(maxHeap, i, max);
// ループで上から下へヒープ化
i = max;
}
}
```
=== "Kotlin"
```kotlin title="my_heap.kt"
/* 要素をヒープから取り出す */
fun pop(): Int {
// 空判定の処理
if (isEmpty()) throw IndexOutOfBoundsException()
// 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
swap(0, size() - 1)
// ノードを削除
val _val = maxHeap.removeAt(size() - 1)
// 上から下へヒープ化
siftDown(0)
// ヒープ先頭要素を返す
return _val
}
/* ノード i から始めて、上から下へヒープ化 */
fun siftDown(it: Int) {
// Kotlin の関数引数は不変のため、一時変数を作成する
var i = it
while (true) {
// ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
val l = left(i)
val r = right(i)
var ma = i
if (l < size() && maxHeap[l] > maxHeap[ma]) ma = l
if (r < size() && maxHeap[r] > maxHeap[ma]) ma = r
// ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
if (ma == i) break
// 2 つのノードを交換
swap(i, ma)
// ループで上から下へヒープ化
i = ma
}
}
```
=== "Ruby"
```ruby title="my_heap.rb"
### 要素をヒープから取り出す ###
def pop
# 空判定の処理
raise IndexError, "ヒープが空です" if is_empty?
# 根ノードと最も右の葉ノードを交換（先頭要素と末尾要素を交換）
swap(0, size - 1)
# ノードを削除
val = @max_heap.pop
# 上から下へヒープ化
sift_down(0)
# ヒープ先頭要素を返す
val
end
### ノード i から上から下へヒープ化 ###
def sift_down(i)
loop do
# ノード i, l, r のうち値が最大のノードを ma とする
l, r, ma = left(i), right(i), i
ma = l if l < size && @max_heap[l] > @max_heap[ma]
ma = r if r < size && @max_heap[r] > @max_heap[ma]
# ノード i が最大、またはインデックス l, r が範囲外なら、ヒープ化は不要なので抜ける
break if ma == i
# 2 つのノードを交換
swap(i, ma)
# ループで上から下へヒープ化
i = ma
end
end
```
??? pythontutor "コードの可視化"
<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20MaxHeap%3A%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20nums%3A%20list%5Bint%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%20%3D%20nums%0A%0A%20%20%20%20def%20left%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%201%0A%0A%20%20%20%20def%20right%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%202%0A%0A%20%20%20%20def%20parent%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20%28i%20-%201%29%20%2F%2F%202%0A%0A%20%20%20%20def%20swap%28self%2C%20i%3A%20int%2C%20j%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%5Bi%5D%2C%20self.max_heap%5Bj%5D%20%3D%20%28self.max_heap%5Bj%5D%2C%20self.max_heap%5Bi%5D%29%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self.max_heap%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.size%28%29%20%3D%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20pop%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%27%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%A7%E3%81%99%27%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.swap%280%2C%20self.size%28%29%20-%201%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20val%20%3D%20self.max_heap.pop%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.sift_down%280%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20val%0A%0A%20%20%20%20def%20sift_down%28self%2C%20i%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20while%20True%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20l%2C%20r%2C%20ma%20%3D%20%28self.left%28i%29%2C%20self.right%28i%29%2C%20i%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20l%20%3C%20self.size%28%29%20and%20self.max_heap%5Bl%5D%20%3E%20self.max_heap%5Bma%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20ma%20%3D%20l%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20r%20%3C%20self.size%28%29%20and%20self.max_heap%5Br%5D%20%3E%20self.max_heap%5Bma%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20ma%20%3D%20r%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20ma%20%3D%3D%20i%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20break%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.swap%28i%2C%20ma%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%3D%20ma%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%27__main__%27%3A%0A%20%20%20%20max_heap%20%3D%20MaxHeap%28%5B9%2C%208%2C%207%2C%206%2C%207%2C%206%2C%202%2C%201%2C%204%2C%203%2C%206%2C%202%2C%205%5D%29%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20max_heap.pop%28%29&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=8&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=class%20MaxHeap%3A%0A%0A%20%20%20%20def%20__init__%28self%2C%20nums%3A%20list%5Bint%5D%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%20%3D%20nums%0A%0A%20%20%20%20def%20left%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%201%0A%0A%20%20%20%20def%20right%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%202%20%2A%20i%20%2B%202%0A%0A%20%20%20%20def%20parent%28self%2C%20i%3A%20int%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20%28i%20-%201%29%20%2F%2F%202%0A%0A%20%20%20%20def%20swap%28self%2C%20i%3A%20int%2C%20j%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.max_heap%5Bi%5D%2C%20self.max_heap%5Bj%5D%20%3D%20%28self.max_heap%5Bj%5D%2C%20self.max_heap%5Bi%5D%29%0A%0A%20%20%20%20def%20size%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20len%28self.max_heap%29%0A%0A%20%20%20%20def%20is_empty%28self%29%20-%3E%20bool%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20self.size%28%29%20%3D%3D%200%0A%0A%20%20%20%20def%20pop%28self%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20if%20self.is_empty%28%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20raise%20IndexError%28%27%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%97%E3%81%8C%E7%A9%BA%E3%81%A7%E3%81%99%27%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.swap%280%2C%20self.size%28%29%20-%201%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20val%20%3D%20self.max_heap.pop%28%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20self.sift_down%280%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20return%20val%0A%0A%20%20%20%20def%20sift_down%28self%2C%20i%3A%20int%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20while%20True%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20l%2C%20r%2C%20ma%20%3D%20%28self.left%28i%29%2C%20self.right%28i%29%2C%20i%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20l%20%3C%20self.size%28%29%20and%20self.max_heap%5Bl%5D%20%3E%20self.max_heap%5Bma%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20ma%20%3D%20l%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20r%20%3C%20self.size%28%29%20and%20self.max_heap%5Br%5D%20%3E%20self.max_heap%5Bma%5D%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20ma%20%3D%20r%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20if%20ma%20%3D%3D%20i%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20break%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20self.swap%28i%2C%20ma%29%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20i%20%3D%20ma%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%27__main__%27%3A%0A%20%20%20%20max_heap%20%3D%20MaxHeap%28%5B9%2C%208%2C%207%2C%206%2C%207%2C%206%2C%202%2C%201%2C%204%2C%203%2C%206%2C%202%2C%205%5D%29%0A%20%20%20%20peek%20%3D%20max_heap.pop%28%29&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=8&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全画面で見る ></a></div>
## 8.1.3 &nbsp; ヒープの代表的な応用
- **優先度付きキュー**：ヒープは、優先度付きキューを実装するための代表的なデータ構造です。キューへの追加と取り出しの時間計算量はいずれも $O(\log n)$ で、ヒープ構築は $O(n)$ であり、これらの操作はいずれも非常に効率的です。
- **ヒープソート**：与えられたデータ群からヒープを構築し、要素の取り出しを繰り返すことで整列済みデータを得られます。ただし、通常はより洗練された方法でヒープソートを実装します。詳しくは「ヒープソート」の章を参照してください。
- **最大の $k$ 個の要素を取得**：これは古典的なアルゴリズム問題であると同時に、典型的な応用でもあります。たとえば、人気上位 10 件のニュースをホットトピックとして選んだり、売上上位 10 件の商品を選んだりする場面です。
Reference in New Issue View Git Blame Copy Permalink