排序<4>堆排序

本文详细介绍了堆排序算法,包括什么是最大堆,如何通过堆调整实现排序,以及其时间复杂度。重点讲解了避免额外空间的技巧和堆排序的关键步骤。

目录

 

1.什么是堆排序

2.堆排序的关键点

3.怎么用堆排序


1.什么是堆排序

堆排序就是利用最大堆或最小堆的特点,即将待排序列先调整成最大堆,然后依次从堆中删除最大的元素到一个临时数组中,

最后将临时数组的内容拷贝到待排序列数组中。关于最大堆的调整即其他操作集,可以看一下上一篇最大堆的介绍。整个过程

需要额外的空间,并且建堆需要O(N)时间,而删除最大元素需要O(log(N))时间复杂度。更加巧妙的排序设计在关键点中给出。

2.堆排序的关键点

为了避免使用额外的空间,在对待排序列完成最大堆建立后,可以直接将最大的元素和最末尾元素进行交换,然后对除去了最大元素

的堆进行调整,得到一个新的最大堆,然后将此时的根结点和倒数第二个位置的元素进行交换,再调整直到需要调整的堆的个数为1就

退出。这样做的好处是,一方面完成了最大元素的删除操作使得最大元素归位,另一方面每处理一个元素后,问题的规模也随之递减。

3.怎么用堆排序

#ifdef SORT_OF_HEAP
void  Swap( ElementType *a, ElementType *b )
{
     ElementType t = *a; *a = *b; *b = t;
}
 
void PercDown( ElementType A[], int p, int N )
{ 
  /* 将N个元素的数组中以A[p]为根的子堆调整为最大堆 */
    int Parent, Child;
    ElementType X;

    X = A[p]; /* 取出根结点存放的值 */
    for( Parent=p; (Parent*2+1)<N; Parent=Child ) {
        Child = Parent * 2 + 1;
        if( (Child!=N-1) && (A[Child]<A[Child+1]) )
            Child++;  /* Child指向左右子结点的较大者 */
        if( X >= A[Child] ) break; /* 找到了合适位置 */
        else  /* 下滤X */
            A[Parent] = A[Child];
    }
    A[Parent] = X;
}

void HeapSort( ElementType A[], int N )
{ /* 堆排序 */
     int i;
      
     for ( i=N/2-1; i>=0; i-- )/* 建立最大堆 */
         PercDown( A, i, N );
     
     for ( i=N-1; i>0; i-- ) {
         /* 删除最大堆顶 */
         Swap( &A[0], &A[i] ); 
         PercDown( A, 0, i );
     }
}
#endif

 

# 代码概述 本题要求实现堆排序算法的核心函数,包括维护最大性质的 `max_heapify`、构建最大的 `build_max_heap` 和主排序函数 `mysort`。 # 代码解析 ```cpp void HeapSort::max_heapify(std::vector<int>& nums, int i) { int left = 2 * i; int right = 2 * i + 1; int largest = i; if (left < heap_size && nums[left] > nums[largest]) { largest = left; } if (right < heap_size && nums[right] > nums[largest]) { largest = right; } if (largest != i) { std::swap(nums[i], nums[largest]); max_heapify(nums, largest); } } void HeapSort::build_max_heap(std::vector<int>& nums) { heap_size = nums.size(); for (int i = length / 2; i >= 1; i--) { max_heapify(nums, i); } } void HeapSort::mysort(std::vector<int>& nums) { length = nums.size(); nums.insert(nums.begin(), 0); // 在开头插入一个元素,使得待排序元素下标从 1 开始 build_max_heap(nums); for (int i = length; i >= 2; i--) { std::swap(nums[1], nums[i]); heap_size--; max_heapify(nums, 1); } nums.erase(nums.begin()); // 删除开头元素 } ``` - `max_heapify`:维护以节点 $i$ 为根的子树的最大性质,通过比较父节点与左右子节点的值,并递归调整。 - `build_max_heap`:从最后一个非叶子节点开始向前遍历,对每个节点调用 `max_heapify` 构建最大。 - `mysort`:先插入占位元素使索引从1开始,构建最大后,依次将顶最大值与末尾元素交换并调整,最终得到升序序列。 # 知识点 - **完全二叉树的数组表示**:对于下标从1开始的数组,节点$i$的左孩子为$2i$,右孩子为$2i+1$,父节点为$\lfloor i/2 \rfloor$。 - **最大性质**:任意父节点的值不小于其子节点的值,顶元素即为最大值。 - **堆排序过程**:建后反复将顶与末尾交换并缩小规模,再维护性质,实现升序排序
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