堆排序

• 简介

堆排序是利用堆这种数据结构而设计的一种排序算法，堆排序是一种选择排序，它的最坏，最好，平均时间复杂度均为O(nlogn)，它也是不稳定排序。 
堆是具有以下性质的完全二叉树：每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值，称为大顶堆, 注意 : 没有要求结点的左孩子的值和右孩子的值的大小关系。 
每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值，称为小顶堆

• 大顶堆
  

• 对堆中的结点按层进行编号，映射到数组中
  

• 大顶堆特点：arr[i] >= arr[2i+1] && arr[i] >= arr[2i+2] // i 对应第几个节点，i从0开始编号

• 小顶堆
  

• 小顶堆：arr[i] <= arr[2i+1] && arr[i] <= arr[2i+2] // i 对应第几个节点，i从0开始编号

• 一般升序采用大顶堆，降序采用小顶堆

• 堆排序思想

将待排序序列构造成一个大顶堆 
此时，整个序列的最大值就是堆顶的根节点。 
将其与末尾元素进行交换，此时末尾就为最大值。 
然后将剩余n-1个元素重新构造成一个堆，这样会得到n个元素的次小值。如此反复执行，便能得到一个有序序列了。  
可以看到在构建大顶堆的过程中，元素的个数逐渐减少，最后就得到一个有序序列了.

• 应用实例

给你一个数组 {4,6,8,5,9} , 要求使用堆排序法，将数组升序排序

• 实现步骤

将数组按层级映射为1个二叉树

此时我们从最后一个非叶子结点开始（叶结点自然不用调整，第一个非叶子结点arr.length/2-1=5/2-1=1，也就是下面的 6 结点），从左至右，从下至上进行调整

找到第二个非叶节点 4，由于[4,9,8]中 9 元素最大，4 和 9 交换

这时，交换导致了子根[4,5,6]结构混乱，继续调整，[4,5,6]中 6 最大，交换 4 和 6

此时，我们就将一个无序序列构造成了一个大顶堆
 
步骤二 将堆顶元素与末尾元素进行交换，使末尾元素最大。然后继续调整堆，再将堆顶元素与末尾元素交换得到第二大元素。如此反复进行交换、重建、交换
将堆顶元素 9 和末尾元素 4 进行交换

重新调整结构，使其继续满足堆定义

再将堆顶元素 8 与末尾元素 5 进行交换，得到第二大元素 8

后续过程，继续进行调整，交换，如此反复进行，最终使得整个序列有序

# 总结
将无序序列构建成一个堆，根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆;
将堆顶元素与末尾元素交换，将最大元素"沉"到数组末端;
重新调整结构，使其满足堆定义，然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素，反复执行调整+交换步骤，直到整个序列有序

• 代码实现

public class HeapSort {
 
	public static void main(String[] args) {
		int arr[] = {4, 6, 8, 5, 9};
		heapSort(arr);
	}
 
	//编写一个堆排序的方法
	public static void heapSort(int arr[]) {
		int temp = 0;
		System.out.println("堆排序!!");
		
//		//分步完成
//		adjustHeap(arr, 1, arr.length);
//		System.out.println("第一次" + Arrays.toString(arr)); // 4, 9, 8, 5, 6
//		adjustHeap(arr, 0, arr.length);
//		System.out.println("第2次" + Arrays.toString(arr)); // 9,6,8,5,4
		
		//完成我们最终代码
		//将无序序列构建成一个堆，根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆
		for(int i = arr.length / 2 -1; i >=0; i--) {
			adjustHeap(arr, i, arr.length);
		}
		
		/*
		 * 2).将堆顶元素与末尾元素交换，将最大元素"沉"到数组末端;
　　	   3).重新调整结构，使其满足堆定义，然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素，反复执行调整+交换步骤，直到整个序列有序。
		 */
		for(int j = arr.length-1;j >0; j--) {
			//交换
			temp = arr[j];
			arr[j] = arr[0];
			arr[0] = temp;
			adjustHeap(arr, 0, j); 
		}
		//System.out.println("数组=" + Arrays.toString(arr));
	}
	
	//将一个数组(二叉树), 调整成一个大顶堆
	/**
	 * 功能： 完成 将 以 i 对应的非叶子结点的树调整成大顶堆
	 * 举例  int arr[] = {4, 6, 8, 5, 9}; => i = 1 => adjustHeap => 得到 {4, 9, 8, 5, 6}
	 * 如果我们再次调用  adjustHeap 传入的是 i = 0 => 得到 {4, 9, 8, 5, 6} => {9,6,8,5, 4}
	 * @param arr 待调整的数组
	 * @param i 表示非叶子结点在数组中索引
	 * @param lenght 表示对多少个元素继续调整， length 是在逐渐的减少
	 */
	public  static void adjustHeap(int arr[], int i, int lenght) {
		int temp = arr[i];//先取出当前元素的值，保存在临时变量
		//开始调整
		//说明
		//1. k = i * 2 + 1 k 是 i结点的左子结点
		for(int k = i * 2 + 1; k < lenght; k = k * 2 + 1) {
			if(k+1 < lenght && arr[k] < arr[k+1]) { //说明左子结点的值小于右子结点的值
				k++; // k 指向右子结点
			}
			if(arr[k] > temp) { //如果子结点大于父结点
				arr[i] = arr[k]; //把较大的值赋给当前结点
				i = k; //!!! i 指向 k,继续循环比较
			} else {
				break;//!
			}
		}
		//当for 循环结束后，我们已经将以i 为父结点的树的最大值，放在了 最顶(局部)
		arr[i] = temp;//将temp值放到调整后的位置
	}
	
}

• 测试速度

public class HeapSort {
	public static void main(String[] args) {
		// 创建要给80000个的随机的数组
		int[] arr = new int[8000000];
		for (int i = 0; i < 8000000; i++) {
			arr[i] = (int) (Math.random() * 8000000); // 生成一个[0, 8000000) 数
		}
 
		System.out.println("排序前");
		Date data1 = new Date();
		SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
		String date1Str = simpleDateFormat.format(data1);
		System.out.println("排序前的时间是=" + date1Str);
		
		heapSort(arr);
		
		Date data2 = new Date();
		String date2Str = simpleDateFormat.format(data2);
		System.out.println("排序前的时间是=" + date2Str);
	}
}