排序算法 之 堆排序(heapsort)

本文详细介绍了堆数据结构及其在排序算法中的应用。堆分为最大堆和最小堆两种类型,通过维护特定的堆特性来保证排序效率。堆排序算法包括三个关键步骤:确保堆特性、根据数组建立最大(最小)堆以及通过不断调整堆顶元素完成排序。

(二叉)堆数据结构是一种数组对象,可以被视为一棵完全二叉树。树的每一层都是填满的,最后一层可能除外。

二叉堆有两种:最大堆和最小堆。

最大堆中,除了根节点以外的每个节点i,有A[PARENT(i)]>=A[i]。这样,堆中的最大元素就存放在根节点中。

最小堆中,除了根节点以外的每个节点i,有A[PARENT(i)]<=A[i]。这样,堆中的最小元素就存放在根节点中。

 

堆排序

堆排序的算法主要分为三个要素:

1、确保最大(最小)堆的特性:从某节点i开始,判断i与其两个子节点的大小关系,对于最大堆来说,i节点如果大于其两个子节点的值,则结束程序;若小于某一个,则找出最大的替换为父节点,并将小的换到子节点处,并对该节点重复以上操作。该操作可以将位于i位置的较小(较大)值替换到二叉树的低端。值得注意的是,该步骤仅仅是对一个节点的操作,是确保的最大(最小)特性的单元操作。建堆时,需要用循环重复本要素。

2、根据数组建堆:从数组的n/2 -1 到 0,依次对该元素进行要素1操作,以确保所建堆为最大(最小)堆。

3、堆排序:逐一将顶端元素替换到最低端,将最低端元素移动到树顶,并使heap_size减小,从而使被移到低端的该元素退出以后的堆操作。每次移动后,重新对树顶节点进行要素1操作,由于除树顶外,其他部分都已经符合最大(最小)堆特性,因此该步骤可以将树顶元素重新移动到低端,形成新的最大(最小)堆。重复以上操作,直至堆消失。则排序后的数组就是一个升序(降序)数组。

 

以下算法讨论以最大堆为例,排出的数组位升序,最小堆排序将max_heapify()函数做更改即可。

堆积排序
堆排序算法的演示。首先,将元素进行重排,以符合堆的条件。图中排序过程之前简单的绘出了堆树的结构。
分类排序算法
数据结构数组
最差时间复杂度O(nlogn)
最优时间复杂度O(nlogn)[1]
平均时间复杂度Θ(nlogn)
最差空间复杂度O(n) total, O(1)auxiliary
最佳算法不是
C实现

int parent(int i)
{
	return (i-1)/2;
}
int lchild(int i)
{
	return 2*i+1;
}
int rchild(int i)
{
	return 2*(i+1);
}
/*保持堆的性质*/
/*最大堆*/
void max_heapify(int A[], int i, int heap_size)
{
	int temp,largest;
	int l,r;
	l = lchild(i);
	r = rchild(i);
	if( ( l < heap_size ) && ( A[l] > A[i] ) )
		largest  = l;
	else
		largest  = i;
	if( ( r < heap_size ) && ( A[r] > A[largest] ) )
		largest = r;
	if( largest != i )
	{
		temp = A[i];
		A[i] = A[largest];
		A[largest] = temp;
		max_heapify(A,largest,heap_size);
	}
}
/*根据数组建堆*/
void built_heap(int A[], int length)
{
	int i;
	for( i = length/2 - 1; i >= 0; i--)		//对于A[n]来说,A[n/2 ... n-1]的元素,都是树中的叶子
											//建堆的过程是从叶子的上一层开始,逐次向上直至树顶
	{
		max_heapify(A,i,length);			//此处直接将数组长度传入
	}
}
/*堆排序算法*/
void heap_sort(int A[], int length)
{
	int i;
	int temp;
	int heap_size;
	heap_size = length;
	built_heap(A,length);
	for( i = length-1; i >= 1; i--)
	{
		temp = A[0];
		A[0] = A[i];
		A[i] = temp;
		heap_size--;
		max_heapify(A, 0, heap_size);
	}

}
测试文件&结果

#include <stdio.h>
#include <tchar.h>
#include <stdlib.h>
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	int A[] = {1,6,2,11,8,19,123,5,22,10};
	heap_sort(A,10);
	for(int i = 0; i<10; i++)
		printf("%d ",A[i]);
	system("pause");
	return 0;
}
 



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