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Top-K 问题

!!! question

给定一个长度为 $n$ 无序数组 `nums` ，请返回数组中前 $k$ 大的元素。

对于该问题，我们先介绍两种思路比较直接的解法，再介绍效率更高的堆解法。

方法一：遍历选择

我们可以进行下图所示的 k 轮遍历，分别在每轮中提取第 $1$、$2$、$\dots$、k 大的元素，时间复杂度为 O(nk) 。

此方法只适用于 k \ll n 的情况，因为当 k 与 n 比较接近时，其时间复杂度趋向于 O(n^2) ，非常耗时。

!!! tip

当 $k = n$ 时，我们可以得到完整的有序序列，此时等价于“选择排序”算法。

方法二：排序

如下图所示，我们可以先对数组 nums 进行排序，再返回最右边的 k 个元素，时间复杂度为 O(n \log n) 。

显然，该方法“超额”完成任务了，因为我们只需要找出最大的 k 个元素即可，而不需要排序其他元素。

方法三：堆

我们可以基于堆更加高效地解决 Top-K 问题，流程如下图所示。

1. 初始化一个小顶堆，其堆顶元素最小。
2. 先将数组的前 k 个元素依次入堆。
3. 从第 k + 1 个元素开始，若当前元素大于堆顶元素，则将堆顶元素出堆，并将当前元素入堆。
4. 遍历完成后，堆中保存的就是最大的 k 个元素。

=== "<1>"

=== "<2>"

=== "<3>"

=== "<4>"

=== "<5>"

=== "<6>"

=== "<7>"

=== "<8>"

=== "<9>"

总共执行了 n 轮入堆和出堆，堆的最大长度为 k ，因此时间复杂度为 O(n \log k) 。该方法的效率很高，当 k 较小时，时间复杂度趋向 O(n) ；当 k 较大时，时间复杂度不会超过 O(n \log n) 。

另外，该方法适用于动态数据流的使用场景。在不断加入数据时，我们可以持续维护堆内的元素，从而实现最大 k 个元素的动态更新。

=== "Java"

```java title="top_k.java"
[class]{top_k}-[func]{topKHeap}
```

=== "C++"

```cpp title="top_k.cpp"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "Python"

```python title="top_k.py"
[class]{}-[func]{top_k_heap}
```

=== "Go"

```go title="top_k.go"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "JS"

```javascript title="top_k.js"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "TS"

```typescript title="top_k.ts"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "C"

```c title="top_k.c"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "C#"

```csharp title="top_k.cs"
[class]{top_k}-[func]{topKHeap}
```

=== "Swift"

```swift title="top_k.swift"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "Zig"

```zig title="top_k.zig"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "Dart"

```dart title="top_k.dart"
[class]{}-[func]{topKHeap}
```

=== "Rust"

```rust title="top_k.rs"
[class]{}-[func]{top_k_heap}
```