数据结构-算法: 插入排序(希尔排序法)

希尔排序法基本思想
希尔排序（Shell Sort）又称为“缩小增量排序”。是1959年由D.L.Shell提出来的。该方法的基本思想是：先将整个待排元素序列分割成若干个子序列（由相隔某个“增量”的元素组成的）分别进行直接插入排序，然后依次缩减增量再进行排序，待整个序列中的元素基本有序（增量足够小）时，再对全体元素进行一次直接插入排序。因为直接插入排序在元素基本有序的情况下（接近最好情况），效率是很高的，因此希尔排序在时间效率上比前两种方法有较大提高。
具体做法：首先确定一组增量d0，d1，d2，d3，...,dt-1()其中n>d0>d1>...>dt-1=1),对于i=0,1,2,...,t-1,依次进行下面的各趟处理:根据当前增量di将n个元素分成di个组,每组中元素的下标相隔为di;再对各组中元素进行直接插入排序.
2、下面给出希尔排序算法的执行过程。

（1）采用希尔排序法排序的各趟的结果如下:
初始:503,17,512,908,170,897,275,653,426,154,509,612,677,765,703,94
第1趟{d1=8}:426,17,509,612,170,765,275,94,503,154,512,908,677,897,703,653
第2趟(d2=4):170,17,275,94,426,154,509,612,503,765,512,653,677,897,703,908
第3趟(d3=2):170,17,275,94,426,154,503,612,509,653,512,765,677,897,703,908
第4趟(d1=1):17,94,154,170,275,426,503,509,512,612,653,677,703,765,897,908
（2）例如，n=8，数组a的八个元素分别为：17，3，30，25，14，17，20，9。

给定实例的shell排序的排序过程

    　假设待排序文件有10个记录，其关键字分别是：
        49，38，65，97，76，13，27，49，55，04。
    　增量序列的取值依次为：
        5，3，1
    　排序过程如【动画模拟演示】。

Shell排序的算法实现

1． 不设监视哨的算法描述
 

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace ExShellSorter
{
    public class ShellSorter
    {
        public void Sort(int[] arr)
        {
            int inc;
            for (inc = 1; inc <= arr.Length / 9; inc = 3 * inc + 1) ;
            for (; inc > 0; inc /= 3)
            {
                for (int i = inc + 1; i <= arr.Length; i += inc)
                {
                    int t = arr[i - 1];
                    int j = i;
                    while ((j > inc) && (arr[j - inc - 1] > t))
                    {
                        arr[j - 1] = arr[j - inc - 1];//交换数据
                        j -= inc;
                    }
                    arr[j - 1] = t;
                }
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            int[] array = new int[] { 1, 5, 3, 6, 10, 55, 9, 2, 87, 12, 34, 75, 33, 47 };
            ShellSorter s = new ShellSorter();
            s.Sort(array);
            foreach (int m in array)
                Console.WriteLine("{0}", m);

        }
    }
}

  注意：
　    当增量d=1时，ShellPass和InsertSort基本一致，只是由于没有哨兵而在内循环中增加了一个循环判定条件"j>0"，以防下标越界。

2．设监视哨的shell排序算法
    　具体算法【参考书目[12] 】

算法分析

1．增量序列的选择
    　Shell排序的执行时间依赖于增量序列。
    　好的增量序列的共同特征：
　　① 最后一个增量必须为1；
　　② 应该尽量避免序列中的值(尤其是相邻的值)互为倍数的情况。
    　有人通过大量的实验，给出了目前较好的结果：当n较大时，比较和移动的次数约在n^l.25到1.6n^1.25之间。

2．Shell排序的时间性能优于直接插入排序
    　希尔排序的时间性能优于直接插入排序的原因：
　　①当文件初态基本有序时直接插入排序所需的比较和移动次数均较少。
　　②当n值较小时，n和n²的差别也较小，即直接插入排序的最好时间复杂度O(n)和最坏时间复杂度0(n²)差别不大。
　　③在希尔排序开始时增量较大，分组较多，每组的记录数目少，故各组内直接插入较快，后来增量d_i逐渐缩小，分组数逐渐减少，而各组的记录数目逐渐增多，但由于已经按d_i-1作为距离排过序，使文件较接近于有序状态，所以新的一趟排序过程也较快。
    　因此，希尔排序在效率上较直接插人排序有较大的改进。

3．稳定性
    　希尔排序是不稳定的。参见上述实例，该例中两个相同关键字49在排序前后的相对次序发生了变化。