問題

怎樣從一個(gè)集合中獲得最大或者最小的N個(gè)元素列表？

解決方案

heapq模塊有兩個(gè)函數(shù)：nlargest() 和 nsmallest() 可以完美解決這個(gè)問題。

import heapq
nums = [1, 8, 2, 23, 7, -4, 18, 23, 42, 37, 2]
print(heapq.nlargest(3, nums)) # Prints [42, 37, 23]
print(heapq.nsmallest(3, nums)) # Prints [-4, 1, 2]

兩個(gè)函數(shù)都能接受一個(gè)關(guān)鍵字參數(shù)，用于更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中：

portfolio = [
    {'name': 'IBM', 'shares': 100, 'price': 91.1},
    {'name': 'AAPL', 'shares': 50, 'price': 543.22},
    {'name': 'FB', 'shares': 200, 'price': 21.09},
    {'name': 'HPQ', 'shares': 35, 'price': 31.75},
    {'name': 'YHOO', 'shares': 45, 'price': 16.35},
    {'name': 'ACME', 'shares': 75, 'price': 115.65}
]
cheap = heapq.nsmallest(3, portfolio, key=lambda s: s['price'])
expensive = heapq.nlargest(3, portfolio, key=lambda s: s['price'])

譯者注：上面代碼在對(duì)每個(gè)元素進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候，會(huì)以price的值進(jìn)行比較。

討論

如果你想在一個(gè)集合中查找最小或最大的N個(gè)元素，并且N小于集合元素?cái)?shù)量，那么這些函數(shù)提供了很好的性能。因?yàn)樵诘讓訉?shí)現(xiàn)里面，首先會(huì)先將集合數(shù)據(jù)進(jìn)行堆排序后放入一個(gè)列表中：

>>> nums = [1, 8, 2, 23, 7, -4, 18, 23, 42, 37, 2]
>>> import heapq
>>> heapq.heapify(nums)
>>> nums
[-4, 2, 1, 23, 7, 2, 18, 23, 42, 37, 8]
>>>

堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最重要的特征是heap[0]永遠(yuǎn)是最小的元素。并且剩余的元素可以很容易的通過調(diào)用heapq.heappop()方法得到，該方法會(huì)先將第一個(gè)元素彈出來，然后用下一個(gè)最小的元素來取代被彈出元素(這種操作時(shí)間復(fù)雜度僅僅是O(N)，N是堆大小)。比如，如果想要查找最小的3個(gè)元素，你可以這樣做：

>>> heapq.heappop(nums)
-4
>>> heapq.heappop(nums)
1
>>> heapq.heappop(nums)
2

當(dāng)要查找的元素個(gè)數(shù)相對(duì)比較小的時(shí)候，函數(shù)nlargest() 和 nsmallest()是很合適的。如果你僅僅想查找唯一的最小或最大(N=1)的元素的話，那么使用min()和max()函數(shù)會(huì)更快些。類似的，如果N的大小和集合大小接近的時(shí)候，通常先排序這個(gè)集合然后再使用切片操作會(huì)更快點(diǎn)(sorted(items)[:N] 或者是 sorted(items)[-N:])。需要在正確場(chǎng)合使用函數(shù)nlargest() 和 nsmallest()才能發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)(如果N快接近集合大小了，那么使用排序操作會(huì)更好些)。

盡管你沒有必要一定使用這里的方法，但是堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)很有趣并且值得你深入學(xué)習(xí)的東西?；旧现灰菙?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法書籍里面都會(huì)有提及到。heapq模塊的官方文檔里面也詳細(xì)的介紹了堆數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。