ما هو الهيب في مجال الخوارزميات وهياكل البيانات؟
يعتبر “الهيب” (Heap) أحد الهياكل البيانية الأساسية التي تُستخدم في علم الحاسوب، وتحديداً في الخوارزميات وهياكل البيانات. يتيح هذا الهيكل عمليات إدراج وحذف العناصر بكفاءة عالية، مما يجعله مفيداً في العديد من التطبيقات مثل إدارة الذاكرة وجدولة العمليات.
تعريف الهيب
الهيب هو بنية بيانات تُستخدم لتنظيم مجموعة من العناصر بطريقة تمكن من الوصول السريع إلى العنصر الأكبر أو الأصغر حسب نوع الهيب (Max-Heap أو Min-Heap). يتم تمثيل الهيب عادةً على شكل شجرة ثنائية تكون فيها كل عقدة أكبر أو أصغر من عقودها الفرعية، حسب نوع الهيب.
أنواع الهيب
Max-Heap
في Max-Heap، تكون كل عقدة أكبر أو تساوي العناصر في عقدها الفرعية. هذا يعني أن العنصر في الجذر هو أكبر عنصر في الهيب.
Min-Heap
في Min-Heap، تكون كل عقدة أصغر أو تساوي العناصر في عقدها الفرعية. هذا يعني أن العنصر في الجذر هو أصغر عنصر في الهيب.
العمليات الأساسية على الهيب
هناك عدة عمليات أساسية يمكن تنفيذها على الهيب، منها:
إدراج عنصر
تتم عملية إدراج عنصر جديد في الهيب عن طريق إضافته في نهاية الشجرة ثم إجراء عملية “إعادة توازن” (Heapify) لضمان الحفاظ على خصائص الهيب.
حذف العنصر الأقصى أو الأدنى
تتم عملية حذف العنصر الأكبر في Max-Heap أو الأصغر في Min-Heap عن طريق استبداله بآخر عنصر في الشجرة ثم إعادة توازن الشجرة.
بناء الهيب
يمكن بناء الهيب من مجموعة غير مرتبة من العناصر باستخدام خوارزمية بناء الهيب التي تتميز بكفاءة عالية (O(n)) مقارنة بإدراج العناصر واحداً تلو الآخر (O(n log n)).
تطبيقات الهيب
جدولة العمليات
يُستخدم الهيب في أنظمة التشغيل لجدولة العمليات بحيث يتم إعطاء الأولوية للعمليات ذات الأولوية الأعلى.
إدارة الذاكرة
يتم استخدام الهيب في إدارة الذاكرة لتخصيص الذاكرة بشكل ديناميكي حيث يمكن بسهولة العثور على الكتلة الأكبر أو الأصغر المتاحة.
خوارزمية دجكسترا
تُستخدم الهيب في خوارزمية دجكسترا لإيجاد أقصر مسار في الرسوم البيانية حيث يتم استخدام الهيب لتحديد العقدة ذات المسافة الأقل التي لم تتم زيارتها بعد.
الهيب في لغة البرمجة
Java
تُوفر مكتبة “جافا” فئة “PriorityQueue” التي تعتمد على Min-Heap وتُستخدم لترتيب العناصر حسب أولويتها.
C++
في لغة C++، يمكن استخدام مكتبة <queue> التي تحتوي على الهيب وتُستخدم لبناء طوابير الأولويات.
الخلاصة
الهيب هو أحد الهياكل البيانية الأساسية التي تُستخدم بكثرة في الخوارزميات وهياكل البيانات بفضل قدرته على إدارة العمليات بكفاءة. سواء كنت تبحث عن تحسين أداء برنامجك أو تحتاج إلى إدارة البيانات بكفاءة، فإن فهم كيفية عمل الهيب واستخداماته يمكن أن يكون له تأثير كبير على حلولك البرمجية.
