堆和堆排序

2021-07-11 21:26:06 字數 1954 閱讀 8842

堆排序演算法

優先佇列

堆的性質的維護,以下都以最大堆為例。

堆的維護的主要思想是「逐層下降」。舉例:某個結點i, 假設其左右子結點left(i),right(i)都已經是最大堆,那麼需要調節(或者說是調換)i, left(i), right(i)的值,並保證調換後的子樹繼續調換下去直到子樹繼續滿足堆的性質。首先,如果結點i的值大於左右子結點的值(即i的值是三個值中的最大值),則不需要調換,因為左右子結點均滿足堆的性質,同時結點i也滿足了結點值大於等於子結點的值,所以整棵樹就是最大堆(也有叫大頂堆)。其次,如果結點i的值不是三個中的最大值,不妨設左結點的值最大(即左結點的值比右結點以及i的值都大),則把i的值跟左結點的值調換,此時i, left, right滿足了父結點值大於等於左右子結點值的情況,那麼被調換後的左結點的值(變小了),以該結點為參考物件,它因為變小了,那麼它還滿足堆的要去嗎,所以需要繼續進行檢測和調換,即逐層的進行下去,直到原來的i值滑落到穩定的位置。時間複雜度是o(lgn)。以下是演算法**的具體驗證:

/*

最大堆的維持輸入引數是乙個陣列,和乙個小標i,

表示維持i到heap-size使該範圍的二叉樹為乙個最大堆。

注意乙個前提:結點i的左右子樹都已經是最大堆。

此處假設a的陣列長度size與heap-size一致。

知道堆的性質的維護方法以後,建堆的思路也就有了,就是從已經堆化的部分逐步往上呼叫最大堆化函式,使整個陣列逐漸全部滿足堆的要求。底層的每乙個單獨的葉結點是滿足堆的要求的,葉結點有a.length - a.length/2 個。所以從葉結點的父結點那一層開始建堆,這些點的下標範圍是:1– a.length/2 建堆的過程是從後往前每個點呼叫最大堆化函式,所以可能會有人認為複雜度是o(nlgn),這個結果雖然正確但不是漸近緊確的,經過證明可以得到建堆過程的乙個更緊確的界:o(n)。證明方法請參考演算法導論。一下是建堆過程的**示例:

給定陣列a,如要對陣列a進行排序輸出,則第一步是根據a數組建堆,此步時間複雜度為o(n), 建好堆的陣列a的最大元素一定在a[1](演算法描述裡陣列的首個位置下標為1,**裡陣列的首個位置下標為0,此處再做一次區分)。那麼我把a[1]與a[n]調換,則此時陣列裡的最大元素已經跑到陣列的最後位置,那麼陣列的前n-1個元素是什麼樣的情況,由於a[1]和a[n]互換,所以新的a[1]結點以及其左右子結點組成的********不一定滿足最大堆的性質了(父結點的值大於等於子結點的值),但是其左右子結點對應的樹,依然是滿足堆的性質的,所以對於a的前n-1個元素,只需要對a[1]結點呼叫維持堆化過程,整個n-1個元素就又變成了新的最大堆,其第乙個元素a[1]就是n-1個元素中的最大值,也即是陣列a中的次大值, 此時把a[1]與a[n-1]交換,則次大值放入了正確的位置,依次類推,直到位置2-n都放入了相應的值,則排序結束,時間複雜度o(nlgn)。以下是**示例:

略參考:演算法導論

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