概要
本章介绍排序算法中的堆排序。
目录
1. 堆排序介绍
2. 堆排序图文说明
3. 堆排序的时间复杂度和稳定性
4. 堆排序实现
4.1 堆排序C实现
4.2 堆排序C++实现
4.3 堆排序Java实现
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更多排序和算法请参考:数据结构与算法系列 目录
堆排序介绍
堆排序(Heap Sort)是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。
因此,学习堆排序之前,有必要了解堆!若读者不熟悉堆,建议先了解堆(建议可以通过二叉堆,左倾堆,斜堆,二项堆或斐波那契堆等文章进行了解),然后再来学习本章。
我们知道,堆分为"最大堆"和"最小堆"。最大堆通常被用来进行"升序"排序,而最小堆通常被用来进行"降序"排序。
鉴于最大堆和最小堆是对称关系,理解其中一种即可。本文将对最大堆实现的升序排序进行详细说明。
最大堆进行升序排序的基本思想:
① 初始化堆:将数列a[1...n]构造成最大堆。
② 交换数据:将a[1]和a[n]交换,使a[n]是a[1...n]中的最大值;然后将a[1...n-1]重新调整为最大堆。 接着,将a[1]和a[n-1]交换,使a[n-1]是a[1...n-1]中的最大值;然后将a[1...n-2]重新调整为最大值。 依次类推,直到整个数列都是有序的。
下面,通过图文来解析堆排序的实现过程。注意实现中用到了"数组实现的二叉堆的性质"。
在第一个元素的索引为 0 的情形中:
性质一:索引为i的左孩子的索引是 (2*i+1);
性质二:索引为i的左孩子的索引是 (2*i+2);
性质三:索引为i的父结点的索引是 floor((i-1)/2);
例如,对于最大堆{110,100,90,40,80,20,60,10,30,50,70}而言:索引为0的左孩子的所有是1;索引为0的右孩子是2;索引为8的父节点是3。
堆排序图文说明
堆排序(升序)代码
/* * (最大)堆的向下调整算法 * * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 * * 参数说明: * a -- 待排序的数组 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) */ void maxheap_down(int a[], int start, int end) { int c = start; // 当前(current)节点的位置 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) { // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 if ( l < end && a[l] < a[l+1]) l++; // 左右两孩子中选择较大者,即m_heap[l+1] if (tmp >= a[l]) break; // 调整结束 else // 交换值 { a[c] = a[l]; a[l]= tmp; } } } /* * 堆排序(从小到大) * * 参数说明: * a -- 待排序的数组 * n -- 数组的长度 */ void heap_sort_asc(int a[], int n) { int i; // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历。遍历之后,得到的数组实际上是一个(最大)二叉堆。 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) maxheap_down(a, i, n-1); // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 for (i = n - 1; i > 0; i--) { // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最大的。 swap(a[0], a[i]); // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最大堆。 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最大值。 maxheap_down(a, 0, i-1); } }
heap_sort_asc(a, n)的作用是:对数组a进行升序排序;其中,a是数组,n是数组长度。
heap_sort_asc(a, n)的操作分为两部分:初始化堆 和 交换数据。
maxheap_down(a, start, end)是最大堆的向下调整算法。
下面演示heap_sort_asc(a, n)对a={20,30,90,40,70,110,60,10,100,50,80}, n=11进行堆排序过程。下面是数组a对应的初始化结构:
1 初始化堆
在堆排序算法中,首先要将待排序的数组转化成二叉堆。
下面演示将数组{20,30,90,40,70,110,60,10,100,50,80}转换为最大堆{110,100,90,40,80,20,60,10,30,50,70}的步骤。
1.1 i=11/2-1,即i=4
上面是maxheap_down(a, 4, 9)调整过程。maxheap_down(a, 4, 9)的作用是将a[4...9]进行下调;a[4]的左孩子是a[9],右孩子是a[10]。调整时,选择左右孩子中较大的一个(即a[10])和a[4]交换。
1.2 i=3
上面是maxheap_down(a, 3, 9)调整过程。maxheap_down(a, 3, 9)的作用是将a[3...9]进行下调;a[3]的左孩子是a[7],右孩子是a[8]。调整时,选择左右孩子中较大的一个(即a[8])和a[4]交换。
1.3 i=2
上面是maxheap_down(a, 2, 9)调整过程。maxheap_down(a, 2, 9)的作用是将a[2...9]进行下调;a[2]的左孩子是a[5],右孩子是a[6]。调整时,选择左右孩子中较大的一个(即a[5])和a[2]交换。
1.4 i=1
上面是maxheap_down(a, 1, 9)调整过程。maxheap_down(a, 1, 9)的作用是将a[1...9]进行下调;a[1]的左孩子是a[3],右孩子是a[4]。调整时,选择左右孩子中较大的一个(即a[3])和a[1]交换。交换之后,a[3]为30,它比它的右孩子a[8]要大,接着,再将它们交换。
1.5 i=0
上面是maxheap_down(a, 0, 9)调整过程。maxheap_down(a, 0, 9)的作用是将a[0...9]进行下调;a[0]的左孩子是a[1],右孩子是a[2]。调整时,选择左右孩子中较大的一个(即a[2])和a[0]交换。交换之后,a[2]为20,它比它的左右孩子要大,选择较大的孩子(即左孩子)和a[2]交换。
调整完毕,就得到了最大堆。此时,数组{20,30,90,40,70,110,60,10,100,50,80}也就变成了{110,100,90,40,80,20,60,10,30,50,70}。
第2部分 交换数据
在将数组转换成最大堆之后,接着要进行交换数据,从而使数组成为一个真正的有序数组。
交换数据部分相对比较简单,下面仅仅给出将最大值放在数组末尾的示意图。
上面是当n=10时,交换数据的示意图。
当n=10时,首先交换a[0]和a[10],使得a[10]是a[0...10]之间的最大值;然后,调整a[0...9]使它称为最大堆。交换之后:a[10]是有序的!
当n=9时, 首先交换a[0]和a[9],使得a[9]是a[0...9]之间的最大值;然后,调整a[0...8]使它称为最大堆。交换之后:a[9...10]是有序的!
...
依此类推,直到a[0...10]是有序的。
堆排序的时间复杂度和稳定性
堆排序时间复杂度
堆排序的时间复杂度是O(N*lgN)。
假设被排序的数列中有N个数。遍历一趟的时间复杂度是O(N),需要遍历多少次呢?
堆排序是采用的二叉堆进行排序的,二叉堆就是一棵二叉树,它需要遍历的次数就是二叉树的深度,而根据完全二叉树的定义,它的深度至少是lg(N+1)。最多是多少呢?由于二叉堆是完全二叉树,因此,它的深度最多也不会超过lg(2N)。因此,遍历一趟的时间复杂度是O(N),而遍历次数介于lg(N+1)和lg(2N)之间;因此得出它的时间复杂度是O(N*lgN)。
堆排序稳定性
堆排序是不稳定的算法,它不满足稳定算法的定义。它在交换数据的时候,是比较父结点和子节点之间的数据,所以,即便是存在两个数值相等的兄弟节点,它们的相对顺序在排序也可能发生变化。
算法稳定性 -- 假设在数列中存在a[i]=a[j],若在排序之前,a[i]在a[j]前面;并且排序之后,a[i]仍然在a[j]前面。则这个排序算法是稳定的!
堆排序实现
下面给出堆排序的三种实现:C、C++和Java。这三种实现的原理和输出结果都是一样的,每一种实现中都包括了"最大堆对应的升序排列"和"最小堆对应的降序排序"。
堆排序C实现
实现代码(heap_sort.c)
1 /** 2 * 堆排序:C 语言 3 * 4 * @author skywang 5 * @date 2014/03/12 6 */ 7 8 #include <stdio.h> 9 10 // 数组长度 11 #define LENGTH(array) ( (sizeof(array)) / (sizeof(array[0])) ) 12 #define swap(a,b) (a^=b,b^=a,a^=b) 13 14 /* 15 * (最大)堆的向下调整算法 16 * 17 * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 18 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 19 * 20 * 参数说明: 21 * a -- 待排序的数组 22 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) 23 * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) 24 */ 25 void maxheap_down(int a[], int start, int end) 26 { 27 int c = start; // 当前(current)节点的位置 28 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 29 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 30 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) 31 { 32 // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 33 if ( l < end && a[l] < a[l+1]) 34 l++; // 左右两孩子中选择较大者,即m_heap[l+1] 35 if (tmp >= a[l]) 36 break; // 调整结束 37 else // 交换值 38 { 39 a[c] = a[l]; 40 a[l]= tmp; 41 } 42 } 43 } 44 45 /* 46 * 堆排序(从小到大) 47 * 48 * 参数说明: 49 * a -- 待排序的数组 50 * n -- 数组的长度 51 */ 52 void heap_sort_asc(int a[], int n) 53 { 54 int i; 55 56 // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历。遍历之后,得到的数组实际上是一个(最大)二叉堆。 57 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) 58 maxheap_down(a, i, n-1); 59 60 // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 61 for (i = n - 1; i > 0; i--) 62 { 63 // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最大的。 64 swap(a[0], a[i]); 65 // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最大堆。 66 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最大值。 67 maxheap_down(a, 0, i-1); 68 } 69 } 70 71 /* 72 * (最小)堆的向下调整算法 73 * 74 * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 75 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 76 * 77 * 参数说明: 78 * a -- 待排序的数组 79 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) 80 * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) 81 */ 82 void minheap_down(int a[], int start, int end) 83 { 84 int c = start; // 当前(current)节点的位置 85 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 86 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 87 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) 88 { 89 // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 90 if ( l < end && a[l] > a[l+1]) 91 l++; // 左右两孩子中选择较小者 92 if (tmp <= a[l]) 93 break; // 调整结束 94 else // 交换值 95 { 96 a[c] = a[l]; 97 a[l]= tmp; 98 } 99 } 100 } 101 102 /* 103 * 堆排序(从大到小) 104 * 105 * 参数说明: 106 * a -- 待排序的数组 107 * n -- 数组的长度 108 */ 109 void heap_sort_desc(int a[], int n) 110 { 111 int i; 112 113 // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历每。遍历之后,得到的数组实际上是一个最小堆。 114 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) 115 minheap_down(a, i, n-1); 116 117 // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 118 for (i = n - 1; i > 0; i--) 119 { 120 // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最小的。 121 swap(a[0], a[i]); 122 // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最小堆。 123 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最小值。 124 minheap_down(a, 0, i-1); 125 } 126 } 127 128 void main() 129 { 130 int i; 131 int a[] = {20,30,90,40,70,110,60,10,100,50,80}; 132 int ilen = LENGTH(a); 133 134 printf("before sort:"); 135 for (i=0; i<ilen; i++) 136 printf("%d ", a[i]); 137 printf("\n"); 138 139 heap_sort_asc(a, ilen); // 升序排列 140 //heap_sort_desc(a, ilen); // 降序排列 141 142 printf("after sort:"); 143 for (i=0; i<ilen; i++) 144 printf("%d ", a[i]); 145 printf("\n"); 146 }
1 /** 2 * 堆排序:C++ 3 * 4 * @author skywang 5 * @date 2014/03/11 6 */ 7 8 #include <iostream> 9 using namespace std; 10 11 /* 12 * (最大)堆的向下调整算法 13 * 14 * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 15 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 16 * 17 * 参数说明: 18 * a -- 待排序的数组 19 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) 20 * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) 21 */ 22 void maxHeapDown(int* a, int start, int end) 23 { 24 int c = start; // 当前(current)节点的位置 25 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 26 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 27 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) 28 { 29 // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 30 if ( l < end && a[l] < a[l+1]) 31 l++; // 左右两孩子中选择较大者,即m_heap[l+1] 32 if (tmp >= a[l]) 33 break; // 调整结束 34 else // 交换值 35 { 36 a[c] = a[l]; 37 a[l]= tmp; 38 } 39 } 40 } 41 42 /* 43 * 堆排序(从小到大) 44 * 45 * 参数说明: 46 * a -- 待排序的数组 47 * n -- 数组的长度 48 */ 49 void heapSortAsc(int* a, int n) 50 { 51 int i,tmp; 52 53 // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历。遍历之后,得到的数组实际上是一个(最大)二叉堆。 54 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) 55 maxHeapDown(a, i, n-1); 56 57 // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 58 for (i = n - 1; i > 0; i--) 59 { 60 // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最大的。 61 tmp = a[0]; 62 a[0] = a[i]; 63 a[i] = tmp; 64 // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最大堆。 65 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最大值。 66 maxHeapDown(a, 0, i-1); 67 } 68 } 69 70 /* 71 * (最小)堆的向下调整算法 72 * 73 * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 74 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 75 * 76 * 参数说明: 77 * a -- 待排序的数组 78 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) 79 * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) 80 */ 81 void minHeapDown(int* a, int start, int end) 82 { 83 int c = start; // 当前(current)节点的位置 84 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 85 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 86 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) 87 { 88 // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 89 if ( l < end && a[l] > a[l+1]) 90 l++; // 左右两孩子中选择较小者 91 if (tmp <= a[l]) 92 break; // 调整结束 93 else // 交换值 94 { 95 a[c] = a[l]; 96 a[l]= tmp; 97 } 98 } 99 } 100 101 /* 102 * 堆排序(从大到小) 103 * 104 * 参数说明: 105 * a -- 待排序的数组 106 * n -- 数组的长度 107 */ 108 void heapSortDesc(int* a, int n) 109 { 110 int i,tmp; 111 112 // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历每。遍历之后,得到的数组实际上是一个最小堆。 113 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) 114 minHeapDown(a, i, n-1); 115 116 // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 117 for (i = n - 1; i > 0; i--) 118 { 119 // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最小的。 120 tmp = a[0]; 121 a[0] = a[i]; 122 a[i] = tmp; 123 // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最小堆。 124 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最小值。 125 minHeapDown(a, 0, i-1); 126 } 127 } 128 129 int main() 130 { 131 int i; 132 int a[] = {20,30,90,40,70,110,60,10,100,50,80}; 133 int ilen = (sizeof(a)) / (sizeof(a[0])); 134 135 cout << "before sort:"; 136 for (i=0; i<ilen; i++) 137 cout << a[i] << " "; 138 cout << endl; 139 140 heapSortAsc(a, ilen); // 升序排列 141 //heapSortDesc(a, ilen); // 降序排列 142 143 cout << "after sort:"; 144 for (i=0; i<ilen; i++) 145 cout << a[i] << " "; 146 cout << endl; 147 148 return 0; 149 }
1 /** 2 * 堆排序:Java 3 * 4 * @author skywang 5 * @date 2014/03/11 6 */ 7 8 public class HeapSort { 9 10 /* 11 * (最大)堆的向下调整算法 12 * 13 * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 14 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 15 * 16 * 参数说明: 17 * a -- 待排序的数组 18 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) 19 * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) 20 */ 21 public static void maxHeapDown(int[] a, int start, int end) { 22 int c = start; // 当前(current)节点的位置 23 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 24 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 25 26 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) { 27 // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 28 if ( l < end && a[l] < a[l+1]) 29 l++; // 左右两孩子中选择较大者,即m_heap[l+1] 30 if (tmp >= a[l]) 31 break; // 调整结束 32 else { // 交换值 33 a[c] = a[l]; 34 a[l]= tmp; 35 } 36 } 37 } 38 39 /* 40 * 堆排序(从小到大) 41 * 42 * 参数说明: 43 * a -- 待排序的数组 44 * n -- 数组的长度 45 */ 46 public static void heapSortAsc(int[] a, int n) { 47 int i,tmp; 48 49 // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历。遍历之后,得到的数组实际上是一个(最大)二叉堆。 50 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) 51 maxHeapDown(a, i, n-1); 52 53 // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 54 for (i = n - 1; i > 0; i--) { 55 // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最大的。 56 tmp = a[0]; 57 a[0] = a[i]; 58 a[i] = tmp; 59 // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最大堆。 60 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最大值。 61 maxHeapDown(a, 0, i-1); 62 } 63 } 64 65 /* 66 * (最小)堆的向下调整算法 67 * 68 * 注:数组实现的堆中,第N个节点的左孩子的索引值是(2N+1),右孩子的索引是(2N+2)。 69 * 其中,N为数组下标索引值,如数组中第1个数对应的N为0。 70 * 71 * 参数说明: 72 * a -- 待排序的数组 73 * start -- 被下调节点的起始位置(一般为0,表示从第1个开始) 74 * end -- 截至范围(一般为数组中最后一个元素的索引) 75 */ 76 public static void minHeapDown(int[] a, int start, int end) { 77 int c = start; // 当前(current)节点的位置 78 int l = 2*c + 1; // 左(left)孩子的位置 79 int tmp = a[c]; // 当前(current)节点的大小 80 81 for (; l <= end; c=l,l=2*l+1) { 82 // "l"是左孩子,"l+1"是右孩子 83 if ( l < end && a[l] > a[l+1]) 84 l++; // 左右两孩子中选择较小者 85 if (tmp <= a[l]) 86 break; // 调整结束 87 else { // 交换值 88 a[c] = a[l]; 89 a[l]= tmp; 90 } 91 } 92 } 93 94 /* 95 * 堆排序(从大到小) 96 * 97 * 参数说明: 98 * a -- 待排序的数组 99 * n -- 数组的长度 100 */ 101 public static void heapSortDesc(int[] a, int n) { 102 int i,tmp; 103 104 // 从(n/2-1) --> 0逐次遍历每。遍历之后,得到的数组实际上是一个最小堆。 105 for (i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) 106 minHeapDown(a, i, n-1); 107 108 // 从最后一个元素开始对序列进行调整,不断的缩小调整的范围直到第一个元素 109 for (i = n - 1; i > 0; i--) { 110 // 交换a[0]和a[i]。交换后,a[i]是a[0...i]中最小的。 111 tmp = a[0]; 112 a[0] = a[i]; 113 a[i] = tmp; 114 // 调整a[0...i-1],使得a[0...i-1]仍然是一个最小堆。 115 // 即,保证a[i-1]是a[0...i-1]中的最小值。 116 minHeapDown(a, 0, i-1); 117 } 118 } 119 120 public static void main(String[] args) { 121 int i; 122 int a[] = {20,30,90,40,70,110,60,10,100,50,80}; 123 124 System.out.printf("before sort:"); 125 for (i=0; i<a.length; i++) 126 System.out.printf("%d ", a[i]); 127 System.out.printf("\n"); 128 129 heapSortAsc(a, a.length); // 升序排列 130 //heapSortDesc(a, a.length); // 降序排列 131 132 System.out.printf("after sort:"); 133 for (i=0; i<a.length; i++) 134 System.out.printf("%d ", a[i]); 135 System.out.printf("\n"); 136 } 137 }
它们的输出结果:
before sort:20 30 90 40 70 110 60 10 100 50 80
after sort:10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110