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本篇介绍开源 C 语言库 Melon 的斐波那契堆的使用。关于 Melon 库，这是一个开源的 C 语言库，它具有：开箱即用、无第三方依赖、安装部署简单、中英文文档齐全等优势。
简介
关于斐波那契堆，感兴趣的朋友可以参考《算法导论》或者是各类讲解博客。
本篇介绍的是斐波那契最小堆，但对于判断条件和初始化属性进行调整后，也可实现最大堆。
数据结构各类操作时间复杂度：
- 创建堆：O(1)
- 插入：O(1)
- 取最小值：O(1)
- 将最小值从堆中移除：O(logN)
- 合并堆：O(1)
- 将堆结点 key 值减小：O(1)
- 移除某个堆结点：O(logN)
由此，我们可以看到斐波那契堆非常适合频繁插入和删除以及取得极值（最小值）结点操作。这样的操作第一个能想到的场景就是实现对超时定时器的管理。
使用
我们先给出示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mln_core.h"
#include "mln_log.h"
#include "mln_fheap.h"
static int cmp_handler(const void *key1, const void *key2)
{
return *(int *)key1 < *(int *)key2? 0: 1;
}
static void copy_handler(void *old_key, void *new_key)
{
*(int *)old_key = *(int *)new_key;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int i = 10, min = 0;
mln_fheap_t *fh;
mln_fheap_node_t *fn;
struct mln_fheap_attr fattr;
struct mln_core_attr cattr;
cattr.argc = argc;
cattr.argv = argv;
cattr.global_init = NULL;
cattr.master_process = NULL;
cattr.worker_process = NULL;
if (mln_core_init(&cattr) < 0) {
fprintf(stderr, "init failed\n");
return -1;
}
fattr.pool = NULL;
fattr.pool_alloc = NULL;
fattr.pool_free = NULL;
fattr.cmp = cmp_handler;
fattr.copy = copy_handler;
fattr.key_free = NULL;
fattr.min_val = &min;
fattr.min_val_size = sizeof(min);
fh = mln_fheap_new(&fattr);
if (fh == NULL) {
mln_log(error, "fheap init failed.\n");
return -1;
}
fn = mln_fheap_node_new(fh, &i);
if (fn == NULL) {
mln_log(error, "fheap node init failed.\n");
return -1;
}
mln_fheap_insert(fh, fn);
fn = mln_fheap_minimum(fh);
mln_log(debug, "%d\n", *((int *)mln_fheap_node_key(fn)));
mln_fheap_free(fh);
return 0;
}
main函数中的流程大致如下：
- 对 Melon 库进行初始化
- 设置斐波那契堆初始化属性
- 对斐波那契堆进行初始化
- 创建斐波那契堆结点
- 将新建的斐波那契堆结点插入堆中
- 取斐波那契堆中最小 key 值的堆结点
- 销毁斐波那契堆结构
Melon 中，使用斐波那契堆需要引入mln_fheap.h头文件。
这里要对堆初始化属性进行一番说明：
struct mln_fheap_attr {
void *pool;
fheap_pool_alloc_handler pool_alloc;
fheap_pool_free_handler pool_free;
fheap_cmp cmp;
fheap_copy copy;
fheap_key_free key_free;
void *min_val;
mln_size_t min_val_size;
};
其中：
pool是用于支持用户自定义内存池之用的，该指针将于pool_alloc和pool_free配合使用。pool_alloc是用于支持用户自定义分配内存之用，该函数指针第一个参数为pool，第二个参数是要分配的内存大小。pool_free是用于支持用户自定义释放内存之用，该函数指针第一个参数为要释放的内存起始地址。cmp是用于对两个堆结点所关联的用户自定义数据进行比较大小之用的。copy是用于*将堆结点 key 值减小(decrease_key)*时，将新 key 值（即用户自定义结构）拷贝到老 key 值中。key_free是用于对堆结点所关联的用户自定义数据进行释放之用的。min_val用户自定义结构的最小值，因为这里实现的是最小堆，因此需要给出一个相对所有插入本堆的结点而言都小的最小值范例。min_val_size用户自定义最小值结构所占字节数，即min_val指向的结构的字节大小。
这些属性字段中，除cmp，copy，min_val和min_val_size外，其余若无需求，则可以置NULL。
内存池和分配释放函数主要是用于堆结点的分配和释放之用。之所以不直接给出一个 Melon 实现的内存池结构指针，是因为不希望斐波那契堆代码与内存池类型强关联，这样允许斐波那契堆可以接入使用者自己定义的内存管理功能。
关于斐波那契堆代码的演进，与此前红黑树文章基本类似，再次就不过多阐述了。
斐波那契堆在整个 Melon 框架中的使用场景基本都是在超时定时器的维护上面。
结语
在 Melon 中，斐波那契堆的使用相较于红黑树而言确实少了很多，因此其演进的速度相对来说会慢一些，演化方向也会受到类似红黑树结构演进的影响。
同时，因为使用并不是很广泛，因此此前也有用户发起了 issue ，提出了堆结构存在实现错误，并给出了问题点。当然，问题早已被修复和验证。
在此非常感谢各位使用者的使用和反馈，你们的反馈也是 Melon 库前进的动力。
欢迎各位对 Melon 感兴趣的读者访问其Github 仓库。
感谢阅读！
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