使用栈实现非递归快速排序详细记录

本文详细介绍了栈的实现,包括结构体定义、初始化、操作函数,以及非递归快速排序中栈的应用。涉及MedianOfThree三数取中、插入排序和创建/释放随机数组等辅助函数。

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一、栈的实现

1. Stack.h

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <time.h>

typedef int STDataType;
typedef struct Stack {
	STDataType* a;
	int capacity;
	int top;
}ST;

void STInit(ST* ps);
void STDestroy(ST* ps);

void STPush(ST* ps, STDataType x);
void STPop(ST* ps);

STDataType STTop(ST* ps);
int STSize(ST* ps);
bool STEmpty(ST* ps);

2. Stack.c

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include "Stack.h"

void STInit(ST* ps) {
	assert(ps);
	ps->a = NULL;
	ps->capacity = 0;
	ps->top = 0;
}

void STDestroy(ST* ps) {
	free(ps->a);
	ps->a = NULL;
	ps->capacity = ps->top = 0;
}

void STPush(ST* ps, STDataType x) {
	assert(ps);

	// 空间不够,扩容
	if (ps->top == ps->capacity) {
		int newcapacity = (ps->capacity == 0) ? 4 : ps->capacity * 2;
		STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newcapacity * sizeof(STDataType));
		if (tmp == NULL) {
			perror("realloc fail");
			return;
		}
		ps->a = tmp;
		ps->capacity = newcapacity;
	}

	ps->a[ps->top] = x;
	ps->top++;
}

void STPop(ST* ps) {
	assert(ps);
	assert(!(STEmpty(ps)));
	ps->top--;
}

STDataType STTop(ST* ps) {
	assert(ps);
	assert(!(STEmpty(ps)));
	return ps->a[ps->top - 1];
}

int STSize(ST* ps) {
	assert(ps);
	return ps->top;
}

bool STEmpty(ST* ps) {
	assert(ps);
	return ps->top == 0;
}

二、辅助函数的实现

1. Swap 交换

void Swap(int* a, int* b) {
    int tmp = *b;
    *b = *a;
    *a = tmp;
}

2. MedianOfThree 三数取中

int MedianOfThree(int* a, int left, int right) {
    printf("\n调用三数取中\n");
    int mid = (left + right) / 2;

    // 确保a[mid]在中间
    if (a[left] > a[mid])
        Swap(&a[left], &a[mid]);
    if (a[left] > a[right])
        Swap(&a[left], &a[right]);
    if (a[mid] > a[right])
        Swap(&a[mid], &a[right]);

    Swap(&a[mid], &a[left]);
    printf("三数取中完成\n");
    return left;
}

3. InsertSort 插入排序

// 插入排序(用于处理小规模数组)
void InsertSort(int* a, int left, int right) {
    printf("\n调用插入排序\n");
    for (int i = left + 1; i <= right; i++) {
        int key = a[i];
        int j = i - 1;
        while (j >= left && a[j] > key) {
            a[j + 1] = a[j];
            j--;
        }
        a[j + 1] = key;
    }
    printf("插入排序完成\n");
}

4. CreateRandomArr 创建随机数组,FreeArr 释放数组资源

int* CreateRandomArr(int length, int min, int max) {
    int* a = malloc(length * sizeof(int));
    if (a == NULL) {
        perror("malloc fail");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    srand(time(NULL));
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        a[i] = rand() % (max - min + 1) + min;
    }

    return a;
}

void FreeArr(int* a) {
    free(a);
}

三、非递归版快速排序实现(用栈实现)

void QuickSortNonR(int* a, int left, int right) {
    ST stack;
    STInit(&stack);
    STPush(&stack, left);
    STPush(&stack, right);

    while (!STEmpty(&stack)) {
        right = STTop(&stack);
        STPop(&stack);
        left = STTop(&stack);
        STPop(&stack);

        if (right - left <= 10) {
            InsertSort(a, left, right);
            continue;
        }

        int keyi = MedianOfThree(a, left, right);

        int prev = left;
        int cur = left + 1;

        while (cur <= right) {
            if (a[cur] < a[keyi] && ++prev != cur) {
                Swap(&a[prev], &a[cur]);
            }
            ++cur;
        }
        Swap(&a[keyi], &a[prev]);
        keyi = prev;

        // 如果我们先将左半部分入栈,后将右半部分入栈,
        // 那么在出栈时,就会先处理右半部分,后处理左半部分,
        // 与递归调用的顺序不一致,这可能会导致程序逻辑上的混乱,增加调试的难度。

        // 将右半部分入栈
        if (keyi + 1 < right) {
            STPush(&stack, keyi + 1);
            STPush(&stack, right);
        }

        // 将左半部分入栈
        if (left < keyi - 1) {
            STPush(&stack, left);
            STPush(&stack, keyi - 1);
        }
    }

    STDestroy(&stack);
}

首先,让我们回顾一下快速排序的基本步骤:

1. 选择一个 key 元素。

2. 将数组分成两部分:一部分包含所有小于 key 元素的值,另一部分包含所有大于或等于 key 元素的值。

3. 重复对这两部分数组执行步骤1和2,直到每个子数组只有一个元素。

在递归实现中,我们会使用函数自身来处理子数组。但在非递归实现中,我们将使用一个栈来模拟这个过程。

void QuickSortNonR(int* a, int left, int right) {
    ST stack;
    STInit(&stack);
    STPush(&stack, left);
    STPush(&stack, right);

    while (!STEmpty(&stack)) {
        // ...
    }

    STDestroy(&stack);
}

首先,我们创建了一个栈 stack并使用 STInit 函数初始化它。然后,我们将数组的左右边界 left 和 right 压入栈中。接下来,我们进入一个循环,只要栈不为空,我们就从栈中弹出左右边界,并对这部分数组进行划分。

right = STTop(&stack);
STPop(&stack);
left = STTop(&stack);
STPop(&stack);

 这一步我们从栈中弹出右边界和左边界。因为我们首先压入的是左边界,按照栈的“后进先出”,所以先弹出右边界,然后是左边界。

if (right - left <= 10) {
    InsertSort(a, left, right);
    continue;
}

如果子数组的大小小于或等于10,我们使用插入排序来排序这个子数组。这是因为对于小数组,插入排序通常比快速排序更高效。排序完成后,我们继续循环的下一轮。

int keyi = MedianOfThree(a, left, right);

我们使用 MedianOfThree 函数来选择一个枢纽元素,并得到它的索引 keyi ,这个 key 元素将用于划分数组。

int prev = left;
int cur = left + 1;

while (cur <= right) {
    if (a[cur] < a[keyi] && ++prev != cur) {
        Swap(&a[prev], &a[cur]);
    }
    ++cur;
}
Swap(&a[keyi], &a[prev]);
keyi = prev;

这一段代码是快速排序的核心划分过程。我们使用 key 元素 a[keyi] 来划分数组。我们维护两个指针 prev 和 cur ,prev 指向最后一个小于 key 元素的值,cur 遍历数组。如果如果 a[cur] 小于 key 元素,我们就交换  a[prev] 和  a[cur] ,并移动 prev 指针。最后,我们将 key 元素 a[keyi] 交换到它最终的位置  a[prev] ,并更新 keyi 为 prev 。

if (keyi + 1 < right) {
    STPush(&stack, keyi + 1);
    STPush(&stack, right);
}

if (left < keyi - 1) {
    STPush(&stack, left);
    STPush(&stack, keyi - 1);
}

最后,我们将右子数组的边界和左子数组的边界压入栈中,以便在下一轮循环中处理。注意,我们首先压入右子数组的边界,然后是左子数组的边界。同上,因为栈是后进先出的数据结构,我们希望先处理左子数组,然后再处理右子数组。

STDestroy(&stack);

在循环结束后,我们调用 STDestroy 函数来销毁栈,释放它占用的内存。

四、 main函数

int main() {
    const int arrSize = 30;

    int* a = CreateRandomArr(arrSize, 1, 10000);

    printf("原始数组:");
    for (int i = 0; i < arrSize; i++) {
        printf("%d ", a[i]);
    }
    printf("\n");

    QuickSortNonR(a, 0, arrSize - 1);

    printf("\n排序后:");
    for (int i = 0; i < arrSize; i++) {
        printf("%d ", a[i]);
    }
    printf("\n");

    FreeArr(a);

    return 0;
}

五、测试结果

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