堆排序详解

来源:互联网 发布:小米max2 知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/05/29 17:35


堆实质上是满足如下性质的完全二叉树:树中任一非叶结点的关键字均不大于(或不小于)其左右孩子(若存在)结点的关键字。

根结点(亦称为堆顶)的关键字是堆里所有结点关键字中最小者的堆称为小根堆。
根结点(亦称为堆顶)的关键字是堆里所有结点关键字中最大者,称为大根堆。
注意:
①堆中任一子树亦是堆。
②以上讨论的堆实际上是二叉堆(Binary Heap),类似地可定义k叉堆。

堆排序的特点:

堆排序(HeapSort)是一树形选择排序。
堆排序的特点是:在排序过程中,将R[l..n]看成是一棵完全二叉树的顺序存储结构,利用完全二叉树中双亲结点和孩子结点之间的内在关系,主要是利用二叉树的顺序存储结构,在当前无序区中选择关键字最大(或最小)的记录。

堆排序与直接选择排序的区别
    直接选择排序中,为了从R[1..n]中选出关键字最小的记录,必须进行n-1次比较,然后在R[2..n]中选出关键字最小的记录,又需要做n-2次比较。事实上,后面的n-2次比较中,有许多比较可能在前面的n-1次比较中已经做过,但由于前一趟排序时未保留这些比较结果,所以后一趟排序时又重复执行了这些比较操作。
    堆排序可通过树形结构保存部分比较结果,可减少比较次数。

堆排序利用了大根堆(或小根堆)堆顶记录的关键字最大(或最小)这一特征,使得在当前无序区中选取最大(或最小)关键字的记录变得简单。

(1)用大根堆排序的基本思想
① 先将初始文件R[1..n]建成一个大根堆,此堆为初始的无序区
② 再将关键字最大的记录R[1](即堆顶)和无序区的最后一个记录R[n]交换,由此得到新的无序区R[1..n-1]和有序区R[n],且满足R[1..n-1].keys≤R[n].key
③ 由于交换后新的根R[1]可能违反堆性质,故应将当前无序区R[1..n-1]调整为堆。然后再次将R[1..n-1]中关键字最大的记录R[1]和该区间的最后一个记录R[n-1]交换,由此得到新的无序区R[1..n-2]和有序区R[n-1..n],且仍满足关系R[1..n-2].keys≤R[n-1..n].keys,同样要将R[1..n-2]调整为堆。
    ……
直到无序区只有一个元素为止。

(2)大根堆排序算法的基本操作:
① 初始化操作:将R[1..n]构造为初始堆;
② 每一趟排序的基本操作:将当前无序区的堆顶记录R[1]和该区间的最后一个记录交换,然后将新的无序区调整为堆(亦称重建堆)。
  注意:
①只需做n-1趟排序,选出较大的n-1个关键字即可以使得文件递增有序。
②用小根堆排序与利用大根堆类似,只不过其排序结果是递减有序的。堆排序和直接选择排序相反:在任何时刻,堆排序中无序区总是在有序区之前,且有序区是在原向量的尾部由后往前逐步扩大至整个向量为止。

(3)参考代码

template<class T>

void HeapSort(T a[],int n)

{

   if (n <= 1)

      return;

   for (int i = (n/2-1);i>=0;--i)

   {

      makeHeap(a,i,n);

   }

   for (int j = n-1;j > 0;--j)

   {

      T temp = a[j];

      a[j] = a[0];

      a[0] = temp;

      makeHeap(a,0,j);

   }

   return;

}

template<class T>

void makeHeap(T a[],int sPoint,int n)

{

   int mPoint = 2*sPoint+1;

   while (mPoint < n)

  {

     if (mPoint+1 < n)

       if (a[mPoint] < a[mPoint+1])

          mPoint+=1;

     if (a[sPoint] < a[mPoint])

     {

        T temp = a[sPoint];

        a[sPoint] = a[mPoint];

        a[mPoint] = temp;

        mPoint = mPoint*2+1;

     }

     else

        break;

  }

}
算法分析
堆排序的时间,主要由建立初始堆和反复重建堆这两部分的时间开销构成,它们均是通过调用makeHeap来实现的。
堆排序的最坏时间复杂度为O(nlgn)。堆排序的平均性能较接近于最坏性能。
由于建初始堆所需的比较次数较多,所以堆排序不适宜于记录数较少的文件。
堆排序是就地排序,辅助空间为O(1),它是不稳定的排序方法。


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