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快排、归并排序(分治)、堆排序

一、快速排序

1)算法简介

快速排序是由C. A. R. Hoare所发展的一种排序算法。其基本思想是基本思想是,通过一趟排序将待排记录分隔成独立的两部分,其中一部分记录的关键字均比另一部分的关键字小,则可分别对这两部分记录继续进行排序,以达到整个序列有序。

2)算法描述

快速排序使用分治法来把一个串(list)分为两个子串行(sub-lists)。
步骤为:
1、从数列中挑出一个元素,称为 "基准"(pivot),
2、重新排序数列,所有元素比基准值小的摆放在基准前面,所有元素比基准值大的摆在基准的后面(相同的数可以到任一边)。在这个分区退出之后,该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区(partition)操作。
3、递归地(recursive)把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。
最差时间复杂度:O(n^2)
最优时间复杂度:O(n log n)
平均时间复杂度:O(n log n)
最差空间复杂度:根据实现的方式不同而不同

3)算法代码

快速排序有很多版本,但关键是划分的思想。

void QuickSort(int L[], int l, int r)
{
	int i, j, pivot;

	if(l >= r)
		return;
	//std::swap(L[l], L[(l+r)/2]);//以中间的数作为基准数的
	//int p = l + rand() % (r - l + 1);	  //rand_partition()
	//std::swap(L[l], L[p]);
	i = l, j=r, pivot = L[l];
	while(i < j)
	{
		while(i < j && L[j] >= pivot)//从右向左找第一个比key小的数
			j--;
		if(i < j)
			L[i++] = L[j];

		while(i < j && L[i] <= pivot)//从左向右找第一个比key大的数
			i++;
		if(i < j)
			L[j--] = L[i];
	}
	L[i] = pivot;
	QuickSort(L, l, i-1);
	QuickSort(L, i+1, r);
}

void qsort1(int L[], int l, int r)
{
	if (l >= r)
		return;
	int i = l, j;
	for (j = l + 1; j <= r; j++)	  
		/* invariant: L[l+1..i] < L[l] && L[i+1..j-1] >= L[l]*/
		if (L[j] < L[l])	 //<
			std::swap(L[++i], L[j]);
	std::swap(L[l], L[i]);
	/* L[l..i-1] < L[i] <= L[i+1..r]*/
	qsort1(L, l, i - 1);
	qsort1(L, i + 1, r);
}

void qsort3(int L[], int l, int r)
{
	if (l >= r)
		return;
	int pivot = L[l];
	int i = l, j = r + 1;
	while(i <= j)
	{
		do 
		{
			i++;
		} while (i <= r && L[i] < pivot);
		do 
		{
			j--;
		} while (L[j] > pivot);
		if (i > j)
			break;
		std::swap(L[i], L[j]);
	}
	std::swap(L[l], L[j]);
	qsort3(L, l, j - 1);
	qsort3(L, j + 1, r);
}


void qsort4(int L[], int l, int r)
{
	if (l >= r)
		return;
	int pivot = L[l];
	int i = l - 1, j = r + 1;
	while(i <= j)
	{
		do 
		{
			i++;
		} while (/*i <= r &&*/ L[i] < pivot);
		do 
		{
			j--;
		} while (L[j] > pivot);
		if (i > j)
			break;
		std::swap(L[i], L[j]);
	}
	//print(L, l, r);putchar('\n');
	std::swap(L[l], L[j]);
	qsort3(L, l, j - 1);
	qsort3(L, j + 1, r);
}

4)利用快排划分细思想求数组第k小的数,或者最小的前k个数

(1)第k小的数

//一次划分后,主元左边的数都小于主元,主元右边的数都大于或者等于主元
int Rand_Partition(int A[], int l, int r)
{
    int i, j, pivot;
    
    int p = l + rand()% (r - l + 1);
    std::swap(A[l], A[p]);
    
    pivot = A[l], i = l, j = r;
    while(i < j)
    {
        while(i < j && A[j] >= pivot)  //从右向左找第一个小于pivot的数
            j--;
        if(i < j)
            A[i++] = A[j];
        while(i < j && A[i] < pivot)  //从左向右找第一个大于或等于pivot的数
            i++;
        if(i < j)
            A[j--] = A[i];
    }
    A[i] = pivot;
    
    return i;
}

int Rand_Select(int A[], int l, int r, int i) //ith big in A[l, ..., r]
{
    int pivotloc, k;

    if(l == r)
        return A[l];

    pivotloc = Rand_Partition(A, l, r);
    k = pivotloc - l + 1;

    if(i == k)
        return A[pivotloc];
    else if(i < k)
        return Rand_Select(A, l, pivotloc-1, i);
    else
        return Rand_Select(A, pivotloc+1, r, i-k);
}

(2)最小的前k个数
可以建立含有k个元素的大顶堆求解。也可以利用划分的思想,代码如下:
void GetleastNumber(int input[], int n, int output[], int k)
{
	if (n <= 0 || k <= 0 || k > n)
		return;

	int l = 0, r = n - 1;
	int pivotloc = Partition(input, l, r);

	//l..|....|.....|...r
	//	 p < k-1 <= p

	while (pivotloc != k - 1)
	{
		if (pivotloc < k - 1)
		   pivotloc = Partition(input, pivotloc + 1, r);
		else
		   pivotloc = Partition(input, l, pivotloc - 1);
	}
	memcpy(output, input, k * sizeof(int));
}


二、归并排序

1)算法简介

        归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。归并排序是一种稳定的排序方法。

       将已有序的子序列合并,得到完全有序的序列;即先使每个子序列有序,再使子序列段间有序。若将两个有序表合并成一个有序表,称为2-路归并。

2)算法描述

    归并排序具体算法描述如下(递归版本):

    1、Divide: 把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列。

    2、Conquer: 对这两个子序列分别采用归并排序。

    3、Combine: 将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

    归并排序的效率是比较高的,设数列长为N将数列分开成小数列一共要logN步,每步都是一个合并有序数列的过程,时间复杂度可以记为O(N),故一共为O(N*logN)。因为归并排序每次都是在相邻的数据中进行操作,所以归并排序在O(N*logN)的几种排序方法(快速排序,归并排序,希尔排序,堆排序)也是效率比较高的。


3)算法代码

归排序代码的写法可以有集中,下面分别给出:
(1)首先分配好一个临时数组空间,避免归并函数内频繁申请内存
//将两个有序的数组a[first,...,mid], a[mid+1,...,last]合并成一个有序的(借助temp数组)
void MergeTwoSortedArray(int a[], int first, int mid, int last, int temp[])
{
	int i = first, j = mid + 1;
	int k = 0;
	while ( i <= mid && j <= last)
		if (a[i] < a[j])
			temp[k++] = a[i++];
		else
			temp[k++] = a[j++];

	while (i <= mid)
		temp[k++]  = a[i++];
	while (j <= last)
		temp[k++] = a[j++];

	//for (i = 0; i < k; i++)
	//	a[first + i] = temp[i];
	memcpy(a + first, temp, sizeof(int) * (last - first + 1));
}
 
//递归地对a[first,...,last]区间的元素二分排序再合并
void MergeSortR(int a[], int first, int last, int temp[])
{
	if (first < last)
	{
		int mid = (first + last) / 2;	     //将a[first, last]平分为a[first,...,mid]和a[mid+1,...,last]
		MergeSortR(a, first, mid, temp);     //左边有序:递归地将a[first,...,mid]归并为有序的temp[first,...,mid]
		MergeSortR(a, mid + 1, last, temp);	 //右边有序:递归地将a[mid+1,...,last]归并为有序的temp[mid+1,...,last]
		MergeTwoSortedArray(a, first, mid, last, temp);	//合并后全部有序:将有序的temp[first,...,mid]和有序的temp[mid+1,...,last]归并到a[first, last]
	}
}

void MergeSort(int a[], int n)
{
	int *temp = new int[n];	  //临时数组
	if (temp == NULL) return;
	memset(temp, 0, sizeof(int)*n);
	MergeSortR(a, 0, n - 1, temp);
	delete []temp;
}
(2)如果每次在归并函数内部分配临时的数组空间,归并函数的写法也可以有几种:
//先将左右有序序列拷贝到临时数组后再直接归并到原数组
void MergeTwoSortedArray1(int a[], int first, int mid, int last)
{
	int i, j;
	int n1 = mid - first + 1;
	int n2 = last - mid;
	int *L = new int[n1];	//临时数组
	int *R = new int[n2];

	//for (i = 0; i < n1; i++)   //左边有序序列
	//	L[i] = a[first + i];
	//for (j = 0; j < n2; j++)
	//	R[j] = a[mid + 1 + j];	//右边有序序列

	for (i = first; i <= mid; i++)
		L[i - first] = a[i];
	for (j = mid + 1; j <= last; j++)
		R[j - mid - 1] = a[j];

	i = 0, j = 0;
	int k = first;
	while (i < n1 && j < n2)
	{
		if (L[i] < R[j])
			a[k++] = L[i++];
		else
			a[k++] = R[j++];
	}
	while (i < n1)
		a[k++] = L[i++];
	while (j < n2)
		a[k++] = R[j++];

	delete []L;
	delete []R;
}

//先将左右有序序列拷贝到临时数组后再直接归并到原数组(使用哨兵)
void MergeTwoSortedArray2(int a[], int first, int mid, int last)
{
	int i, j;
	int n1 = mid - first + 1;
	int n2 = last - mid;
	int *L = new int[n1 + 1];	//临时数组,末尾为哨兵元素
	int *R = new int[n2 + 1];

	//for (i = 0; i < n1; i++)   //左边有序序列
	//	L[i] = a[first + i];
	//for (j = 0; j < n2; j++)
	//	R[j] = a[mid + 1 + j];	//右边有序序列
	//L[i] = INT_MAX, R[j] = INT_MAX;	 //末尾添加哨兵元素

	for (i = first; i <= mid; i++)
		L[i - first] = a[i];
	for (j = mid + 1; j <= last; j++)
		R[j - mid - 1] = a[j];
	L[i - first] = INT_MAX, R[j - mid - 1] = INT_MAX;

	i = 0, j = 0;
	for (int k = first; k <= last; k++)
	{
		if (L[i] < R[j])
			a[k] = L[i++];
		else
			a[k] = R[j++];
	}

	delete []L;
	delete []R;
}

void MergeSortR1(int a[], int first, int last)
{
	if (first < last)
	{
		int mid = (first + last) / 2;
		MergeSortR1(a, first, mid);
		MergeSortR1(a, mid + 1, last);
		MergeTwoSortedArray3(a, first, mid, last);
	}
}

void MergeSort1(int a[], int n)
{
	MergeSortR1(a, 0, n - 1);
}

4)求逆序对

利用归并排序的思想可以实现求逆序数对

int Merge(int a[], int first, int mid, int last, int temp[])
{
	int inversion = 0;
	int i = first, j = mid + 1, k = 0;
	while (i <= mid && j <= last)
	{
		if (a[i] <= a[j])
		{
			temp[k++] = a[i++];
		}else	 //a[i] > a[j],而a[first,..,i,..,mid]递增有序,因此a[i~mid]与a[j]构成逆序对,共mid-i+1个
		{
			temp[k++] = a[j++];
			inversion += mid - i + 1;
		}
	}
	while (i <= mid)
		temp[k++] = a[i++];
	while (j <= last)
		temp[k++] = a[j++];
	memcpy(a + first, temp, sizeof(int) * (last - first + 1));
	return inversion;
}

int MergeInversionR(int a[], int first, int last, int temp[])
{
	int inversion = 0;
	if (first < last)
	{
		int mid = (first + last) >> 1;
		inversion += MergeInversionR(a, first, mid, temp);	//找左半段的逆序对数目
		inversion += MergeInversionR(a, mid + 1, last, temp);//找右半段的逆序对数目
		inversion += Merge(a, first, mid, last, temp);		//在找完左右半段逆序对以后两段数组有序,然后找两段之间的逆序对。最小的逆序段只有一个元素。  
	}
	return inversion;
}

int MergeInversion(int a[], int n)
{
	int inversion = 0;
	int *temp = new int[n];
	memset(temp, 0, sizeof(int)*n);
	inversion = MergeInversionR(a, 0, n - 1, temp);
	delete []temp;
	return inversion;
}

三、堆排序

见 利用堆实现堆排序&优先队列。