归并排序是一种基于分治策略的高效排序算法,其核心思想是将待排序数组递归地分成两半,对每半部分分别进行排序,然后通过合并两个已排序的部分来完成整个数组的排序。以下是详细的归并排序算法详解及其在Java中的实现。
工作原理
- 划分阶段:首先将待排序数组从中点处分开,形成两个子数组。这个过程一直重复,直到每个子数组只有一个元素为止。
- 递归排序:当子数组长度为1时,终止划分,开始合并。持续地将左右两个较短的有序数组合并为一个较长的有序数组,直至结束。
- 合并阶段:比较两个子数组的元素,并将其插入到主数组中,直到所有子数组都合并成一个有序数组。
时间复杂度分析
归并排序的时间复杂度为O(nlogn),这主要得益于其分治和合并步骤。由于每次递归调用都会将问题规模减半,因此时间复杂度为O(logn);而每次合并操作需要遍历整个数组,因此时间复杂度为O(n)。
Java代码实现
以下是一个典型的归并排序算法的Java实现:
public class MergeSort {
public static void mergeSort(int[] arr, int low, int high) {
if (low < high) {
// 找到中间位置
int mid = low + (high - low) / 2;
// 分别对左半部分和右半部分进行递归排序
mergeSort(arr, low, mid);
mergeSort(arr, mid + 1, high);
// 合并两个已排序的子数组
merge(arr, low, mid, high);
}
}
private static void merge(int[] arr, int low, int mid, int high) {
int n1 = mid - low + 1;
int n2 = high - mid;
// 创建临时数组
int L[] = new int[n1];
int R[] = new int[n2];
// 复制数据到临时数组
for (int i = 0; i < n1; ++i)
L[i] = arr[low + i];
for (int j = 0; j < n2; ++j)
R[j] = arr[mid + 1 + j];
// 合并临时数组
int i = 0, j = 0;
int k = low;
while (i < n1 && j < n2) {
if (L[i] <= R[j]) {
arr[k] = L[i];
i++;
} else {
arr[k] = R[j];
j++;
}
k++;
}
// 复制剩余元素
while (i < n1) {
arr[k] = L[i];
i++;
k++;
}
while (j < n2) {
arr[k] = R[j];
j++;
k++;
}
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = {45, 11, 50, 59, 60, 2, 4, 7, 10};
System.out.println ("Original array is: ");
printArray(arr);
mergeSort(arr, 0, arr.length - 1);
System.out.println ("Sorted array is: ");
printArray(arr);
}
// 打印数组方法
static void printArray(int arr[]) {
for (int i = 0; i < arr.length ; ++i)
System.out.print (arr[i] + " ");
System.out.println ();
}
}
解释
- mergeSort方法:该方法接受一个数组及其起始和结束索引作为参数。如果起始索引小于结束索引,则进一步将数组分成两半,并分别对这两半进行递归排序。
- merge方法:该方法负责合并两个已排序的子数组。它创建两个临时数组L和R,分别存储左半部分和右半部分的数据,然后通过比较两个指针所指向的元素并选择较小的元素将其放入主数组中,直到其中一个指针超出范围为止。最后,将剩余的元素复制到主数组中完成合并。
总结
归并排序是一种非常高效的排序算法,适用于各种规模的数据集。其稳定性和O(nlogn)的时间复杂度使其在实际应用中非常受欢迎。通过上述Java代码实现,可以清晰地看到归并排序的分治和合并过程,从而更好地理解其工作原理和实现细节.