服务器之家

服务器之家 > 正文

堆排序算法的讲解及Java版实现

时间:2020-04-25 15:15     来源/作者:飞翔的猫咪

堆是数据结构中的一种重要结构,了解了“堆”的概念和操作,可以快速掌握堆排序。

堆的概念
堆是一种特殊的完全二叉树(complete binary tree)。如果一棵完全二叉树的所有节点的值都不小于其子节点,称之为大根堆(或大顶堆);所有节点的值都不大于其子节点,称之为小根堆(或小顶堆)。
在数组(在0号下标存储根节点)中,容易得到下面的式子(这两个式子很重要):
1.下标为i的节点,父节点坐标为(i-1)/2;
2.下标为i的节点,左子节点坐标为2*i+1,右子节点为2*i+2。

堆的建立和维护
堆可以支持多种操作,但现在我们关心的只有两个问题:
1.给定一个无序数组,如何建立为堆?
2.删除堆顶元素后,如何调整数组成为新堆?
先看第二个问题。假定我们已经有一个现成的大根堆。现在我们删除了根元素,但并没有移动别的元素。想想发生了什么:根元素空了,但其它元素还保持着堆的性质。我们可以把最后一个元素(代号A)移动到根元素的位置。如果不是特殊情况,则堆的性质被破坏。但这仅仅是由于A小于其某个子元素。于是,我们可以把A和这个子元素调换位置。如果A大于其所有子元素,则堆调整好了;否则,重复上述过程,A元素在树形结构中不断“下沉”,直到合适的位置,数组重新恢复堆的性质。上述过程一般称为“筛选”,方向显然是自上而下。
删除一个元素是如此,插入一个新元素也是如此。不同的是,我们把新元素放在末尾,然后和其父节点做比较,即自下而上筛选。
那么,第一个问题怎么解决呢?
我看过的数据结构的书很多都是从第一个非叶子结点向下筛选,直到根元素筛选完毕。这个方法叫“筛选法”,需要循环筛选n/2个元素。
但我们还可以借鉴“无中生有”的思路。我们可以视第一个元素为一个堆,然后不断向其中添加新元素。这个方法叫做“插入法”,需要循环插入(n-1)个元素。
由于筛选法和插入法的方式不同,所以,相同的数据,它们建立的堆一般不同。

大致了解堆之后,堆排序就是水到渠成的事情了。

算法概述/思路
我们需要一个升序的序列,怎么办呢?我们可以建立一个最小堆,然后每次输出根元素。但是,这个方法需要额外的空间(否则将造成大量的元素移动,其复杂度会飙升到O(n^2))。如果我们需要就地排序(即不允许有O(n)空间复杂度),怎么办?
有办法。我们可以建立最大堆,然后我们倒着输出,在最后一个位置输出最大值,次末位置输出次大值……由于每次输出的最大元素会腾出第一个空间,因此,我们恰好可以放置这样的元素而不需要额外空间。很漂亮的想法,是不是?

?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
public class HeapSort {
 
  public static void main(String[] args) {
    int[] arr = { 50, 10, 90, 30, 70, 40, 80, 60, 20 };
    System.out.println("排序之前:");
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      System.out.print(arr[i] + " ");
    }
 
    // 堆排序
    heapSort(arr);
 
    System.out.println();
    System.out.println("排序之后:");
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      System.out.print(arr[i] + " ");
    }
  }
 
  /**
   * 堆排序
   */
  private static void heapSort(int[] arr) { 
    // 将待排序的序列构建成一个大顶堆
    for (int i = arr.length / 2; i >= 0; i--){ 
      heapAdjust(arr, i, arr.length); 
    }
     
    // 逐步将每个最大值的根节点与末尾元素交换,并且再调整二叉树,使其成为大顶堆
    for (int i = arr.length - 1; i > 0; i--) { 
      swap(arr, 0, i); // 将堆顶记录和当前未经排序子序列的最后一个记录交换
      heapAdjust(arr, 0, i); // 交换之后,需要重新检查堆是否符合大顶堆,不符合则要调整
    }
  }
 
  /**
   * 构建堆的过程
   * @param arr 需要排序的数组
   * @param i 需要构建堆的根节点的序号
   * @param n 数组的长度
   */
  private static void heapAdjust(int[] arr, int i, int n) {
    int child;
    int father; 
    for (father = arr[i]; leftChild(i) < n; i = child) {
      child = leftChild(i);
       
      // 如果左子树小于右子树,则需要比较右子树和父节点
      if (child != n - 1 && arr[child] < arr[child + 1]) {
        child++; // 序号增1,指向右子树
      }
       
      // 如果父节点小于孩子结点,则需要交换
      if (father < arr[child]) {
        arr[i] = arr[child];
      } else {
        break; // 大顶堆结构未被破坏,不需要调整
      }
    }
    arr[i] = father;
  }
 
  // 获取到左孩子结点
  private static int leftChild(int i) {
    return 2 * i + 1;
  }
   
  // 交换元素位置
  private static void swap(int[] arr, int index1, int index2) {
    int tmp = arr[index1];
    arr[index1] = arr[index2];
    arr[index2] = tmp;
  }
}

 

标签:

相关文章

热门资讯

沙雕群名称大全2019精选 今年最火的微信群名沙雕有创意
沙雕群名称大全2019精选 今年最火的微信群名沙雕有创意 2019-07-07
玄元剑仙肉身有什么用 玄元剑仙肉身境界等级划分
玄元剑仙肉身有什么用 玄元剑仙肉身境界等级划分 2019-06-21
男生常说24816是什么意思?女生说13579是什么意思?
男生常说24816是什么意思?女生说13579是什么意思? 2019-09-17
超A是什么意思 你好a表达的是什么
超A是什么意思 你好a表达的是什么 2019-06-06
华为nova5pro和p30pro哪个好 华为nova5pro和华为p30pro对比详情
华为nova5pro和p30pro哪个好 华为nova5pro和华为p30pro对比详情 2019-06-22
返回顶部