排序-005-Merge-Sort-03-Bottom-Up

本文深入解析归并排序算法,包括自顶向下与自底向上的实现方式,对比两种方法的性能,并通过具体代码示例展示如何优化归并排序。特别关注了在处理大规模数据和近乎有序数组时的效率提升。

MergeSort.h

#ifndef INC_04_MERGE_SORT_BOTTOM_UP_MERGESORT_H
#define INC_04_MERGE_SORT_BOTTOM_UP_MERGESORT_H

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include "InsertionSort.h"

using namespace std;


template<typename  T>
void __merge(T arr[], int l, int mid, int r){

    T aux[r-l+1];
    for( int i = l ; i <= r; i ++ )
        aux[i-l] = arr[i];

    int i = l, j = mid+1;
    for( int k = l ; k <= r; k ++ ){

        if( i > mid )   { arr[k] = aux[j-l]; j ++;}
        else if( j > r ){ arr[k] = aux[i-l]; i ++;}
        else if( aux[i-l] < aux[j-l] ){ arr[k] = aux[i-l]; i ++;}
        else                          { arr[k] = aux[j-l]; j ++;}
    }
}

template<typename T>
void __mergeSort(T arr[], int l, int r){

    if( r - l <= 15 ){
        insertionSort(arr, l, r);
        return;
    }

    int mid = (l+r)/2;
    __mergeSort(arr, l, mid);
    __mergeSort(arr, mid+1, r);
    if( arr[mid] > arr[mid+1] )
        __merge(arr, l, mid, r);
}

template<typename T>
void mergeSort(T arr[], int n){

    __mergeSort( arr , 0 , n-1 );
}



main.cpp

#include <iostream>
#include "SortTestHelper.h"
#include "MergeSort.h"


using namespace std;

template <typename T>
void mergeSortBU(T arr[], int n){

//    for( int sz = 1; sz <= n ; sz += sz )
//        for( int i = 0 ; i < n ; i += sz+sz )
//            // 对 arr[i...i+sz-1] 和 arr[i+sz...i+2*sz-1] 进行归并
//            __merge(arr, i, i+sz-1, min(i+sz+sz-1,n-1) );

    // Merge Sort Bottom Up 优化
    for( int i = 0 ; i < n ; i += 16 )
        insertionSort(arr,i,min(i+15,n-1));

    for( int sz = 16; sz <= n ; sz += sz )
        for( int i = 0 ; i < n - sz ; i += sz+sz )
            if( arr[i+sz-1] > arr[i+sz] )
                __merge(arr, i, i+sz-1, min(i+sz+sz-1,n-1) );
}


int main() {

    int n = 1000000;

    cout<<"Test for Random Array, size = "<<n<<", random range [0, "<<n<<"]"<<endl;
    int* arr1 = SortTestHelper::generateRandomArray(n,0,n);
    int* arr2 = SortTestHelper::copyIntArray(arr1, n);

    SortTestHelper::testSort("Merge Sort", mergeSort, arr1, n);
    SortTestHelper::testSort("Merge Sort Bottom Up", mergeSortBU, arr2, n);

    delete(arr1);
    delete(arr2);

    cout<<endl;


    // 测试2 测试近乎有序的数组
    int swapTimes = 100;
    cout<<"Test for Random Nearly Ordered Array, size = "<<n<<", swap time = "<<swapTimes<<endl;
    arr1 = SortTestHelper::generateNearlyOrderedArray(n,swapTimes);
    arr2 = SortTestHelper::copyIntArray(arr1, n);

    SortTestHelper::testSort("Merge Sort", mergeSort, arr1, n);
    SortTestHelper::testSort("Merge Sort Bottom Up", mergeSortBU, arr2, n);

    delete(arr1);
    delete(arr2);

    return 0;
}
### 归并排序算法的工作原理 归并排序是一种基于分治法的高效稳定排序算法。其核心思想是将待排序数组分割成若干个小数组,直到每个小数组仅有一个元素;随后逐步合并这些小数组,在此过程中完成排序工作[^1]。 具体来说,归并排序的过程可以分为三个主要阶段: - **分解**:不断地把当前列表分成两半; - **递归处理**:对每部分继续执行上述过程直至不能再分为止; - **合并**:按照顺序组合起来形成新的有序列表[^3]。 这种做法使得即使对于大规模数据集也能保持较好的时间复杂度O(n log n),其中n表示输入规模大小。 ### C语言中的归并排序实现 下面给出了一种典型的C语言版本的归并排序函数定义方式及其调用形式: ```c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> void merge(int arr[], int l, int m, int r); void mergeSort(int arr[], int l, int r); int main() { int arr[] = {12, 11, 13, 5, 6, 7}; int arr_size = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); printf("Given array is \n"); for (int i=0; i<arr_size; i++) printf("%d ", arr[i]); printf("\n"); mergeSort(arr, 0, arr_size - 1); printf("Sorted array is \n"); for (int i=0; i<arr_size; i++) printf("%d ", arr[i]); return 0; } // 实现merge function from bottom to up void merge(int arr[], int l, int m, int r){ // Your code here... } /* Implementation of the mergesort algorithm */ void mergeSort(int arr[], int l, int r){ if(l >= r){ return;//returns recursively } int m =l+ (r-l)/2; mergeSort(arr, l, m); mergeSort(arr, m + 1, r); merge(arr, l, m, r); } ``` 请注意上面代码片段中`merge()`函数的具体逻辑尚未提供,这是因为具体的合并操作依赖于如何有效地管理临时存储空间以及指针移动等问题,这通常涉及到更复杂的内存管理和边界条件判断。 ### 应用场景分析 由于归并排序具备稳定性(即相同数值不会改变相对位置),因此非常适合用于那些需要维持原始记录次序的应用场合。此外,当面对外部存储设备上的大数据量排序任务时,归并排序也表现出色,因为它能够很好地适应磁盘I/O特性,并且可以通过调整缓冲区大小来优化读写效率[^2]。
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