C++实现排序 - 02 归并排序、快速排序和堆排序

简介: 今天我们继续来整理平均时间复杂度为 O(nlogn) 的三个排序算法,即归并排序、堆排序和快速排序。
写在前面:
今天我们继续来整理平均时间复杂度为 O(nlogn) 的三个排序算法,即归并排序、堆排序和快速排序。
排序算法 平均时间复杂度 最好情况 最坏情况 空间复杂度 稳定性
归并排序 O(nlogn) O(nlogn) O(nlogn) O(n) 稳定
快速排序 O(nlogn) O(nlogn) O(n^2^) O(nlogn) 不稳定
堆排序 O(nlogn) O(nlogn) O(nlogn) O(1) 不稳定

归并排序

归并排序采用了分治法的思想,不断将两个有序的序列进行合并从而最终得到整个有序的序列,算法步骤如下:

  1. 把当前长度为 n 的序列分为两个长度为 n / 2 的子序列,对子序列进行操作。
  2. 同样对两个子序列进行划分,再分别对其子序列进行划分操作,直至子序列中只有一个元素为止就不再进行划分,而是进行回溯。
  3. 通过回溯的子序列进行排序操作,我们额外创建一个数组出来,将回溯的两个子序列进行合并操作。
  4. 一直往上回溯,这样每次得到的两个回溯的子序列都是有序的,可以方便我们进行合并操作,合并的序列也会是有序的。

直接上图:

我们先对序列进行划分操作:

1.jpg

然后对各个子序列进行回溯:

2.jpg

通过合并操作,得到最终的子序列。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int n, q[100010], temp[100010];

void merge_sort(int q[], int l, int r) {
    //如果当前序列只有一个元素,则不用排序直接返回
    if (l >= r)
        return;

    //对序列进行划分,然后对其子序列进行递归操作
    int mid = l + r >> 1;
    merge_sort(q, l, mid), merge_sort(q, mid + 1, r);

    //合并操作
    int k = 0, i = l, j = mid + 1;
    while (i <= mid && j <= r) {
        //遍历两个子序列,将更小的元素取出放入临时数组temp
        if (q[i] <= q[j])
            temp[k++] = q[i++];
        else
            temp[k++] = q[j++];
    }

    //如果还有元素没有取出,将剩余元素放入临时数组temp
    while (i <= mid)
        temp[k++] = q[i++];
    while (j <= r)
        temp[k++] = q[j++];

    //将原数组进行更新,更新上面合并的区间
    for (int i = l, j = 0; i <= r; i++, j++)
        q[i] = temp[j];
}

int main() {
    /*
    5
    2 3 1 8 5
    */
    scanf("%d", &n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        scanf("%d", &q[i]);
    }
    merge_sort(q, 0, n - 1);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", q[i]);
    }
}

快速排序

快速排序也是利用了递归思想,算法步骤如下:

  1. 选取第一个的数作为基准数。
  2. 将小于基准数的元素换到前面,将大于基准数的元素换到后面。
  3. 重复上述操作,直到区间只有一个数为止。

直接上图:

第一步:选取第一个数作为基准数。

3.jpg

第二步:从后往前找一个比基准数小的数放到前面。

4.jpg

5.jpg

第三步:从前往后找到一个比基准数大的树放到后面。

6.jpg

第四步:继续从后往前查找,发现 first 和 last 重合,本次遍历结束,并将基准数放到指针所指地方。
7.jpg

第五步:将该序列分成两半,左半部分是该序列左边界至 first -1 ,右半部分是 first +1 至右边界。

第六步:对左半部分即下标为 0 ~ 1 区间进行递归排序,由于已经是有序我们就直接跳过这里。

第七步:对右半部分即下标为 3 ~ 6 区间进行递归排序。

8.jpg

第八步:从后往前找到一个比基准数小的数放到前面。

9.jpg

第九步:从前往后找一个比基准数大的数放到后面,但是发现指针最终重合,故此次遍历结束,将基准数放到指针所指位置。

10.jpg

第十步:与上面相同,对该序列进行左右区间划分,再分别遍历。由于右半部分已经没有元素了,我们直接对左半部分即下标为 3 ~ 5 区间进行递归排序。

11.jpg

12.jpg

13.jpg

由于该序列已经有序,后续递归操作我们就不再展示了,直接来看代码。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int q[1000010];

void quick_sort(int q[], int l, int r) {
    if (l >= r)
        return;
    int first = l, last = r, key = q[first];
    while (first < last) {
        //将比第一个小的移到前面
        while (first < last && q[last] >= key)
            last--;
        if (first < last)
            q[first++] = q[last];

        //将比第一个大的数移到后面
        while (first < last && q[first] <= key)
            first++;
        if (first < last)
            q[last--] = q[first];
    }
    q[first] = key;
    quick_sort(q, l, first - 1), quick_sort(q, first + 1, r);
}

int main() {
    /*
    7
    2 3 1 8 5 11 4
    */
    int size = 0;
    scanf("%d", &size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        scanf("%d", &q[i]);
    }
    quick_sort(q, 0, size - 1);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", q[i]);
    }
    return 0;
}

堆排序

在了解堆排序之前,我们先来看看什么是堆。

堆就是一个类似于完全二叉树的结构,同时它分为大顶堆和小顶堆,它们的性质分别是每个结点的值都大于(或小于)它的孩子结点。

下面就是一个大顶堆:

14.jpg

下面就是一个小顶堆:

15.jpg

那么我们如何利用堆的性质进行排序呢,算法步骤如下(这里讲解升序操作):

  1. 先将初始化的数组序列构建成大顶堆。
  2. 将堆顶元素和最后一个元素进行交换,此时最后一个元素的位置就是该序列的最大值了。然后再对其前面的所有元素进行堆更新,即从堆顶元素往下进行堆操作,但是这里已经排好序的最后一个元素不参与对操作。
  3. 重复上述步骤,每次都从堆顶取剩余元素的最大值放到堆即剩余元素的最后一个,然后从堆顶往下进行对操作,直至所有元素都已经操作完。

可能会有小伙伴比较有疑惑,我们该如何确定已经排好序和没有排好序的元素呢。这就需要用到完全二叉树的性质:

在下标从 0 开始存储元素的顺序存储的数组当中,结点的左孩子下标等于该结点下标乘以 2 加 1 ,结点的右孩子下标等于该结点下标乘以 2 加 2 。

这样我们可以通过数组下标进行操作,先对前 n 个元素构建大顶堆。然后交换堆顶和最后一个元素,确定数组中第 n 个元素的序列,再对前 n - 1 个元素进行堆操作。

直接上图:

先来看看如何构建出大顶堆,我们要从第一个非叶子结点开始往上构建。因为如果从第一个结点开始往下构建的话,可能无法将最大的元素放到堆顶。

假设我们初始的序列为 { 21 , 343 , 122 , 84 , 5 , 117 , 4 } ,从第一个非叶子结点开始往上构建。

16.jpg

第一步:第一个非叶子结点为 122 ,每次都去找到该结点与其孩子结点中的最大值并进行交换,发现自身印记是最大值了,故找到上一个非叶子结点。

17.jpg

第二步:非叶子结点 343 已经是其和其孩子结点中的最大值,故不用交换。

18.jpg

第三步:非叶子结点 21 与其孩子结点进行比较,发现其孩子结点 343 更大,故进行交换。

19.jpg

20.jpg

第四步:交换后的结点不是叶子结点,故继续向下找到最大值。

21.jpg

22.jpg

至此,大顶堆已经构建完成,现在进行排序操作。

23.jpg

第一步:交换堆顶和最后一个元素。

24.jpg

第二步:对堆顶元素向下进行对操作,注意已经排好序的 343 不再参与到对操作之中。

25.jpg

26.jpg

27.jpg

28.jpg

29.jpg

第三步:交换堆顶和最后一个元素,并对堆顶元素向下进行堆操作。

30.jpg

31.jpg

32.jpg

33.jpg

第四步:交换堆顶和最后一个元素,并对堆顶元素向下进行堆操作。

34.jpg

35.jpg

36.jpg

第五步:交换堆顶和最后一个元素,并对堆顶元素向下进行堆操作。

37.jpg

第六步:交换堆顶和最后一个元素,并对堆顶元素向下进行堆操作。

38.jpg

第七步:交换堆顶和最后一个元素,并对堆顶元素向下进行堆操作。

39.jpg

第八步:交换堆顶和最后一个元素,并对堆顶元素向下进行堆操作。

40.jpg

至此,所有元素都排好序了,直接输出即可。

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

//用递归方式来调整为大顶堆
void adjust(int a[], int len, int index) {
    int right = index * 2 + 1;    //index的右结点
    int left = index * 2 + 2;    //index的左结点

    //找到三个结点中最大的一个,使其在index位置上
    int maxIdx = index;
    if (right < len && a[right] > a[maxIdx])
        maxIdx = right;
    if (left < len && a[left] > a[maxIdx])
        maxIdx = left;

    if (maxIdx != index) {
        swap(a[maxIdx], a[index]);
        adjust(a, len, maxIdx);    //变换结点后如果还有子结点,则继续进行排序
    }
}

//堆排序
void heapSort(int a[], int size) {
    //从最后一个非叶子结点开始构建大顶推
    for (int i = size / 2 - 1; i >= 0; i--) {
        adjust(a, size, i);
    }

    for (int i = size - 1; i > 0; i--) {
        swap(a[i], a[0]);    //将大顶堆的根结点与最后一个结点交换,就得到了最大值
        adjust(a, i, 0);    //交换完后,继续对除交换到最后的元素之外的前面所有元素进行堆排序
    }
}

int main() {
    int a[10] = { 21, 343, 122, 84, 5, 117, 4, 35, 90, 666 };
    int size = 10;
    heapSort(a, size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        cout << a[i] << " ";
    }
    return 0;
}

如果大家有什么问题的话,欢迎在下方评论区进行讨论哦~

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