按照算法复杂程度,将排序算法分为两类。这里介绍的是改进算法,包括希尔排序、堆排序、归并排序和快速排序。
一、希尔排序
希尔排序是一种基于插入排序的排序算法,也称为缩小增量排序。它是将整个数组分成若干个子序列,对每个子序列进行插入排序,通过逐步缩小子序列的步长,最终使整个数组有序。
希尔排序的基本思想是将待排序的元素分成若干个子序列,分别进行插入排序,待整个序列中的元素基本有序时,再对全体元素进行一次插入排序。具体实现中,先将整个待排序的数组按照步长 gap 进行分组,对每组数据进行插入排序,然后逐步减小步长继续进行分组排序,直到步长为 1 时,进行最后一次插入排序。其中,初始步长的选择可以影响到排序算法的时间复杂度。
希尔排序的优点是比直接插入排序有较高的效率,时间复杂度为O(nlogn)。但是其实现过程比较复杂,因为需要按照步长进行分组,并且最后一次需要进行直接插入排序,这使得代码较难理解。
#include <iostream>
using namespace std;
void shellSort(int arr[], int n) {
// 定义增量序列
int gap = n / 2;
while (gap > 0) {
for (int i = gap; i < n; i++) {
int temp = arr[i];
int j = i;
while (j >= gap && arr[j - gap] > temp) {
arr[j] = arr[j - gap];
j -= gap;
}
arr[j] = temp;
}
gap /= 2; // 减小增量序列
}
}
int main() {
int arr[] = { 5, 2, 9, 3, 1, 7, 6, 8, 4 };
int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
shellSort(arr, n);
cout << "排序后的数组:" << endl;
for (int i = 0; i < n; i++) {
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
二、堆排序
堆排序的原理是:将待排序的序列构建成一个大根堆(或小根堆),此时整个序列的最大值(或最小值)就是堆顶的根节点。将其与末尾元素进行交换,此时末尾元素就是最大值(或最小值),然后将剩余的n-1个元素重新构建成一个堆,重复这个过程,直到整个序列有序。具体实现中,先构建初始堆,然后将堆顶元素与末尾元素交换,堆的大小减1,重新堆化,直到堆的大小为1。堆排序的时间复杂度为O(nlogn),空间复杂度为O(1)。
不理解可以看B站:排序算法:堆排序【图解+代码】_哔哩哔哩_bilibili

#include <iostream>
using namespace std;
void heapify(int arr[], int n, int i) {
int largest = i; // 假设最大元素为根节点
int l = 2 * i + 1; // 左子节点的下标
int r = 2 * i + 2; // 右子节点的下标
// 如果左子节点比根节点大,将最大元素改为左子节点
if (l < n && arr[l] > arr[largest]) {
largest = l;
}
// 如果右子节点比根节点大,将最大元素改为右子节点
if (r < n && arr[r] > arr[largest]) {
largest = r;
}
// 如果最大元素不是根节点,将最大元素与根节点交换,并递归堆化
if (largest != i) {
swap(arr[i], arr[largest]); //使得最大值在根节点处
heapify(arr, n, largest); //递归检查交换后下面有没有影响
}
}
void heapSort(int arr[], int n) {
// 建立初始堆
//根节点为(i-1)/2;(n-1-1)/2=n/2-1
for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
heapify(arr, n, i);
}
// 将最大值(即堆顶)放到数组末尾,然后重新堆化
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
swap(arr[0], arr[i]); //使得末尾为最大值
heapify(arr, i, 0);
}
}
int main() {
int arr[] = { 5, 2, 9, 3, 1, 7, 6, 8, 4 };
int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
heapSort(arr, n);
cout << "排序后的数组:" << endl;
for (int i = 0; i < n; i++) {
cout << arr[i] << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
三、归并排序
归并排序的原理是:将待排序的序列分成两个长度相等的子序列,然后对这两个子序列分别进行排序,最后将两个已排序的子序列合并成一个有序的序列。具体实现中,采用分治的思想,递归地将序列划分为较小的子序列,然后不断地合并相邻的两个子序列,直到合并成一个完整的有序序列。归并排序的时间复杂度为O(nlogn),空间复杂度为O(n)。
不理解可以看B站:排序算法:归并排序【图解+代码】_哔哩哔哩_bilibili

#include <iostream>
using namespace std;
// 合并
void merge(int arr[], int tempArr[], int left, int mid, int right)
{
// 标记左半区第一个未排序的元素
int l_pos = left;
// 标记右半区第一个未排序的元素
int r_pos = mid + 1;
// 临时数组元素的下标
int pos = left;
// 合并
while (l_pos <= mid && r_pos <= right)
{
if (arr[l_pos] < arr[r_pos]) // 左半区第一个剩余元素更小
tempArr[pos++] = arr[l_pos++];
else // 右半区第一个剩余元素更小
tempArr[pos++] = arr[r_pos++];
}
// 合并左半区剩余的元素
while (l_pos <= mid)
tempArr[pos++] = arr[l_pos++];
// 合并右半区剩余的元素
while (r_pos <= right)
tempArr[pos++] = arr[r_pos++];
// 把临时数组中合并后的元素复制回原来的数组
while (left <= right)
{
arr[left] = tempArr[left];
left++;
}
}
// 归并排序
void msort(int arr[], int tempArr[], int left, int right)
{
// 如果只有一个元素,那么不需要继续划分
// 只有一个元素的区域,本生就是有序的,只需要被归并即可
if (left < right)
{
// 找中间点
int mid = (left + right) / 2;
// 递归划分左半区
msort(arr, tempArr, left, mid);
// 递归划分右半区
msort(arr, tempArr, mid + 1, right);
// 合并已经排序的部分
merge(arr, tempArr, left, mid, right);
}
}
// 归并排序入口
void merge_sort(int arr[], int n)
{
// 分配一个辅助数组
int tempArr[n];
// 调用实际的归并排序
msort(arr, tempArr, 0, n - 1);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
test(&merge_sort);
return 0;
}
非递归
void mergeSort(int arr[], int n)
{
int curr_size; // 当前子数组的大小,子数组大小: 1 到 n/2
int left_start; // 左子数组的开始下标
// 自底向上归并. 首先归并大小为1的数组形成大小为2的有序子数组,
// 接着归并大小为2的数组,形成大小为4的有序子数组
for (curr_size=1; curr_size<=n-1; curr_size = 2*curr_size)
{
// 根据子数组大小调整左子数组起始下标
for (left_start=0; left_start<n-1; left_start += 2*curr_size)
{
// min函数是为了防止下标越界
// 找出左子数组结尾下标
int mid = min(left_start + curr_size - 1, n-1);
// 找出右子数组结尾下标
int right_end = min(left_start + 2*curr_size - 1, n-1);
// 归并子数组 arr【left_start...mid】 & arr【mid+1...right_end】 ,和递归的相同
merge(arr, left_start, mid, right_end);
}
}
}
四、快速排序
基本思想是选择一个基准元素(这里取最后一个),通过一趟排序将待排序记录分割成独立的两部分,其中一部分记录的关键字都比基准元素小,另一部分记录的关键字都比基准元素大,然后分别对这两部分记录继续进行排序,以达到整个序列有序的目的。
快速排序的时间复杂度为 O(nlogn),其中 n 表示待排序数组的长度。它是一种原地排序算法,不需要额外的存储空间,因此空间复杂度为 O(1)。快速排序是一种不稳定的排序算法,也就是说它可能改变相等元素之间的相对顺序。
具体可参考:排序算法:快速排序【图解+代码】_哔哩哔哩_bilibili

#include <iostream>
using namespace std;
/**
* @brief 快速排序
* 大体思想:把比pivot小的换到前面
*
* @param arr 数组
* @param low 最左边索引
* @param high 最右边索引
* @return int 划分位置
*/
int partition(int arr[], int low, int high)
{
int pivot = arr[high];
int i = low - 1;
for (int j = low; j < high; j++)
{
// 比pivot小的,全部换到前面去
if (arr[j] <= pivot)
swap(&arr[j], &arr[++i]);
}
// 此时,i指向的元素一定大于等于pivot
swap(&arr[high], &arr[i+1]);
return i+1;
}
/**
* @brief 递归划分
*
* @param arr 数字
* @param low 左边界下标
* @param high 右边界下标
*/
void qsort(int arr[], int low, int high)
{
if (low < high)
{
int mid = partition(arr, low, high);
qsort(arr, low, mid - 1);
qsort(arr, mid + 1, high);
}
}
/**
* @brief 快速排序入口
*
* @param arr 数组
* @param len 长度
*/
void quick_sort(int arr[], int len)
{
qsort(arr, 0, len - 1);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
test(&quick_sort);
return 0;
}
总结
以上为排序的改进算法,本人小白,主要用来记录,如有错误,欢迎大佬们指点出来。