BFPRT算法

解决的问题：在一个数组中找到最小的k个数

常规解法：1、排序，输出前k个数，时间复杂度O（n*log(n)）。

                  2、利用一个大小为k的大根堆，遍历数组维持大根堆，最后返回大根堆就可以了，时间复杂度O(n*log(k))。

BFPRT解法：

利用快速排序的思路，选取一个划分值，小于这个数的放右边，等于这个数的放中间，大于这个数的放右边。如下图：

这样我们就可以把问题转化为：在这个数组中找第k小的数，然后把k左边的数返回就可以得到最小的k个数了。

上图可得到两个边界值L，R，与k进行比较，如果L，R中有一个与K相等表示，已经找到k了。

BFPRT的流程（时间复杂度O(n））：

1、把数组分成以大小为5的小组，最后面不足5个的，单独一组。（至于为什么是以5为单位，因为这个算法是由BFPRT这五个人发明的）。

2、每个小组内排序。

3、把每个小组内的中位数拿出来组成大小为 n/5 的数组，再去这个数组中的中位数，便得到了我们所需要的划分值X。

4、递归上述流程。如：（如果k < L，则在（0~L）中找，

                                         如果 L < k < R，就在（L~R）中寻找，

                                         如果K > R，就在（R~N）中寻找 ）。

代码：

package basic_class_02;

public class Code_06_BFPRT {
    // 解决的问题：找到一个数组最小的k个数
	// O(N*logK)
	public static int[] getMinKNumsByHeap(int[] arr, int k) {
		if (k < 1 || k > arr.length) {
			return arr;
		}
		int[] kHeap = new int[k];
		for (int i = 0; i != k; i++) {  // 建立一个大根堆，堆的大小为 k
			heapInsert(kHeap, arr[i], i);
		}
		
		for (int i = k; i != arr.length; i++) { // 把之后的 arr 数组中，下标k之后的数依次加入大根堆
			if (arr[i] < kHeap[0]) {   // 如果比堆顶要小，加入大根堆
				kHeap[0] = arr[i];
				heapify(kHeap, 0, k);
			}
		}
		return kHeap;
	}

	public static void heapInsert(int[] arr, int value, int index) {
		arr[index] = value;
		while (index != 0) {
			int parent = (index - 1) / 2;
			if (arr[parent] < arr[index]) {
				swap(arr, parent, index);
				index = parent;
			} else {
				break;
			}
		}
	}

	public static void heapify(int[] arr, int index, int heapSize) {
		int left = index * 2 + 1;
		int right = index * 2 + 2;
		int largest = index;
		while (left < heapSize) {
			if (arr[left] > arr[index]) {
				largest = left;
			}
			if (right < heapSize && arr[right] > arr[largest]) {
				largest = right;
			}
			if (largest != index) {
				swap(arr, largest, index);
			} else {
				break;
			}
			index = largest;
			left = index * 2 + 1;
			right = index * 2 + 2;
		}
	}

	// O(N)
	public static int[] getMinKNumsByBFPRT(int[] arr, int k) {
		if (k < 1 || k > arr.length) {
			return arr;
		}
		int minKth = getMinKthByBFPRT(arr, k);
		int[] res = new int[k];
		int index = 0;
		for (int i = 0; i != arr.length; i++) {
			if (arr[i] < minKth) {
				res[index++] = arr[i];
			}
		}
		for (; index != res.length; index++) {
			res[index] = minKth;
		}
		return res;
	}

	public static int getMinKthByBFPRT(int[] arr, int K) {
		int[] copyArr = copyArray(arr);
		return select(copyArr, 0, copyArr.length - 1, K - 1);
	}

	public static int[] copyArray(int[] arr) {
		int[] res = new int[arr.length];
		for (int i = 0; i != res.length; i++) {
			res[i] = arr[i];
		}
		return res;
	}

	public static int select(int[] arr, int begin, int end, int i) {
		if (begin == end) {
			return arr[begin];
		}
		int pivot = medianOfMedians(arr, begin, end);
		int[] pivotRange = partition(arr, begin, end, pivot);
		if (i >= pivotRange[0] && i <= pivotRange[1]) {
			return arr[i];
		} else if (i < pivotRange[0]) {
			return select(arr, begin, pivotRange[0] - 1, i);
		} else {
			return select(arr, pivotRange[1] + 1, end, i);
		}
	}

	public static int medianOfMedians(int[] arr, int begin, int end) {
		int num = end - begin + 1;
		int offset = num % 5 == 0 ? 0 : 1;
		int[] mArr = new int[num / 5 + offset];
		for (int i = 0; i < mArr.length; i++) {
			int beginI = begin + i * 5;
			int endI = beginI + 4;
			mArr[i] = getMedian(arr, beginI, Math.min(end, endI));
		}
		return select(mArr, 0, mArr.length - 1, mArr.length / 2);
	}

	public static int[] partition(int[] arr, int begin, int end, int pivotValue) {
		int small = begin - 1;
		int cur = begin;
		int big = end + 1;
		while (cur != big) {
			if (arr[cur] < pivotValue) {
				swap(arr, ++small, cur++);
			} else if (arr[cur] > pivotValue) {
				swap(arr, cur, --big);
			} else {
				cur++;
			}
		}
		int[] range = new int[2];
		range[0] = small + 1;
		range[1] = big - 1;
		return range;
	}

	public static int getMedian(int[] arr, int begin, int end) {
		insertionSort(arr, begin, end);
		int sum = end + begin;
		int mid = (sum / 2) + (sum % 2);
		return arr[mid];
	}

	public static void insertionSort(int[] arr, int begin, int end) {
		for (int i = begin + 1; i != end + 1; i++) {
			for (int j = i; j != begin; j--) {
				if (arr[j - 1] > arr[j]) {
					swap(arr, j - 1, j);
				} else {
					break;
				}
			}
		}
	}

	public static void swap(int[] arr, int index1, int index2) {
		int tmp = arr[index1];
		arr[index1] = arr[index2];
		arr[index2] = tmp;
	}

	public static void printArray(int[] arr) {
		for (int i = 0; i != arr.length; i++) {
			System.out.print(arr[i] + " ");
		}
		System.out.println();
	}

	public static void main(String[] args) {
		int[] arr = { 6, 9, 1, 3, 1, 2, 2, 5, 6, 1, 3, 5, 9, 7, 2, 5, 6, 1, 9 };
		// sorted : { 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 3, 3, 5, 5, 5, 6, 6, 6, 7, 9, 9, 9 }
		printArray(getMinKNumsByHeap(arr, 10));
		printArray(getMinKNumsByBFPRT(arr, 10));

	}

}