深入理解堆排序及其分析
記得在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候一味的想用代碼實(shí)現(xiàn)算法,重視的是寫(xiě)出來(lái)的代碼有一個(gè)正確的輸入,然后有一個(gè)正確的輸出,那么就很滿(mǎn)足了。從網(wǎng)上看了許多的代碼,看了之后貌似懂了,自己寫(xiě)完之后也正確了,但是不久之后就忘了,因?yàn)榇竽X在回憶的時(shí)候,只依稀記得代碼中的部分,那么的模糊,根本不能再次寫(xiě)出正確的代碼,也許在第一次寫(xiě)的時(shí)候是因?yàn)閰⒖剂藙e人的代碼,看過(guò)之后大腦可以進(jìn)行短暫的高清晰記憶,于是欺騙了我,以為自己寫(xiě)出來(lái)的,滿(mǎn)足了成就感??墒谴a是計(jì)算機(jī)識(shí)別的,而我們更喜歡文字,圖像。所以我們?cè)趯W(xué)習(xí)算法的時(shí)候要注重算法的原理以及算法的分析,用文字,圖像表達(dá)出來(lái),然后當(dāng)需要用的時(shí)候再將文字轉(zhuǎn)換為代碼。記憶分為三個(gè)步驟:編碼,存儲(chǔ)和檢索,就以學(xué)習(xí)為例,先理解知識(shí),再歸納知識(shí),最后鞏固知識(shí),為了以后的應(yīng)用而方便檢索知識(shí)。
堆排序過(guò)程
堆分為大根堆和小根堆,是完全二叉樹(shù)。大根堆的要求是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的值都不大于其父節(jié)點(diǎn)的值,即A[PARENT[i]] >= A[i]。在數(shù)組的非降序排序中,需要使用的就是大根堆,因?yàn)楦鶕?jù)大根堆的要求可知,最大的值一定在堆頂。
既然是堆排序,自然需要先建立一個(gè)堆,而建堆的核心內(nèi)容是調(diào)整堆,使二叉樹(shù)滿(mǎn)足堆的定義(每個(gè)節(jié)點(diǎn)的值都不大于其父節(jié)點(diǎn)的值)。調(diào)堆的過(guò)程應(yīng)該從最后一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始,假設(shè)有數(shù)組A = {1, 3, 4, 5, 7, 2, 6, 8, 0}。那么調(diào)堆的過(guò)程如下圖,數(shù)組下標(biāo)從0開(kāi)始,A[3] = 5開(kāi)始。分別與左孩子和右孩子比較大小,如果A[3]最大,則不用調(diào)整,否則和孩子中的值最大的一個(gè)交換位置,在圖1中是A[7] > A[3] > A[8],所以A[3]與A[7]對(duì)換,從圖1.1轉(zhuǎn)到圖1.2。
所以建堆的過(guò)程就是
for ( i = headLen/2; i >= 0; i++)
do AdjustHeap(A, heapLen, i)
建堆完成之后,堆如圖1.7是個(gè)大根堆。將A[0] = 8 與 A[heapLen-1]交換,然后heapLen減一,如圖2.1,然后AdjustHeap(A, heapLen-1, 0),如圖2.2。如此交換堆的第一個(gè)元
素和堆的最后一個(gè)元素,然后堆的大小heapLen減一,對(duì)堆的大小為heapLen的堆進(jìn)行調(diào)堆,如此循環(huán),直到heapLen == 1時(shí)停止,最后得出結(jié)果如圖3。
/*
輸入:數(shù)組A,堆的長(zhǎng)度hLen,以及需要調(diào)整的節(jié)點(diǎn)i
功能:調(diào)堆
*/
void AdjustHeap(int A[], int hLen, int i)
{
int left = LeftChild(i); //節(jié)點(diǎn)i的左孩子
int right = RightChild(i); //節(jié)點(diǎn)i的右孩子節(jié)點(diǎn)
int largest = i;
int temp;
while(left < hLen || right < hLen)
{
if (left < hLen && A[largest] < A[left])
{
largest = left;
}
if (right < hLen && A[largest] < A[right])
{
largest = right;
}
if (i != largest) //如果最大值不是父節(jié)點(diǎn)
{
temp = A[largest]; //交換父節(jié)點(diǎn)和和擁有最大值的子節(jié)點(diǎn)交換
A[largest] = A[i];
A[i] = temp;
i = largest; //新的父節(jié)點(diǎn),以備迭代調(diào)堆
left = LeftChild(i); //新的子節(jié)點(diǎn)
right = RightChild(i);
}
else
{
break;
}
}
}
/*
輸入:數(shù)組A,堆的大小hLen
功能:建堆
*/
void BuildHeap(int A[], int hLen)
{
int i;
int begin = hLen/2 - 1; //最后一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)
for (i = begin; i >= 0; i--)
{
AdjustHeap(A, hLen, i);
}
}
/*
輸入:數(shù)組A,待排序數(shù)組的大小aLen
功能:堆排序
*/
void HeapSort(int A[], int aLen)
{
int hLen = aLen;
int temp;
BuildHeap(A, hLen); //建堆
while (hLen > 1)
{
temp = A[hLen-1]; //交換堆的第一個(gè)元素和堆的最后一個(gè)元素
A[hLen-1] = A[0];
A[0] = temp;
hLen--; //堆的大小減一
AdjustHeap(A, hLen, 0); //調(diào)堆
}
}
性能分析
•調(diào)堆:上面已經(jīng)分析了,調(diào)堆的運(yùn)行時(shí)間為O(h)。
•建堆:每一層最多的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n1 = ceil(n/(2^(h+1))),
因此,建堆的運(yùn)行時(shí)間是O(n)。
•循環(huán)調(diào)堆(代碼67-74),因?yàn)樾枰{(diào)堆的是堆頂元素,所以運(yùn)行時(shí)間是O(h) = O(floor(logn))。所以循環(huán)調(diào)堆的運(yùn)行時(shí)間為O(nlogn)。
總運(yùn)行時(shí)間T(n) = O(nlogn) + O(n) = O(nlogn)。對(duì)于堆排序的最好情況與最壞情況的運(yùn)行時(shí)間,因?yàn)樽顗呐c最好的輸入都只是影響建堆的運(yùn)行時(shí)間O(1)或者O(n),而在總體時(shí)間中占重要比例的是循環(huán)調(diào)堆的過(guò)程,即O(nlogn) + O(1) =O(nlogn) + O(n) = O(nlogn)。因此最好或者最壞情況下,堆排序的運(yùn)行時(shí)間都是O(nlogn)。而且堆排序還是原地算法(in-place algorithm)。
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