排序(2)——希尔排序

希尔排序(缩小增量排序)

基本思想

希尔排序法又称缩小增量法。希尔排序法的基本思想是:先选定一个整数,把待排序文件中所有记录分成个组,所有距离为的记录分在同一组内,并对每一组内的记录进行排序。然后,取,重复上述分组和排序的工作。当到达=1时,所有记录在统一组内排好序。

  • 希尔排序:①预排序 + ②直接插入排序

预排序:分别对每个分组进行插入排序。

  • 首先要设置一个gap,如果gap=3,也就是3个间隔的数为一组。
  • 这里我们看升序。预排序就是要让大的数更快的到达后面,小的数更快的到达前面。
  • 预排序结束后,大的数都在后面,小的数都在前面,就已经基本有序了。

整体思想

  • 一趟:类似直接插入排序的一趟,间距是gap,(直接插入排序的间距为1)相当于把直接插入排序的1都改为gap。

  • 一组:加入循环,完成一组的排序(类似直接插入排序整体)

  • 多组:加入三层嵌套循环/多组并排。(完成多组排序)gap即为组数。

  • 整体:完成整个数组的排序(多次预排序直到最后插入排序gap=1)(n个值)gap=n(gap=gap/2或者gap=gap/3+1)
    gap

  • gap的值越大,大的值更快的调到后面,小的值可以更快的调到前面,越不接近有序。

  • gap的值越小,大的值更慢的调到后面,小的值可以慢的调到前面,越接近有序。

  • gap>1时时预排序,目的是让整体数值更加接近有序

  • gap == 1的时候就是直接插入排序,目的是让整体值有序。

  • 无论gap是多少,它gap=gap/2后一定会等于1。

  • 无论gap是多少,它gap=gap/3+1后一定会等于1。(预排次数少一点)

  • gap的值不是固定的,gap的值是随着整体n的大小变化而变化的。

一定要保证最后一次是1。这样才能让最后一次循环是直接插入排序,从而达到希尔排序的效果,使整体有序。

代码实现

【预排序】

单组
cpp 复制代码
for (int i = 0; i < n - gap; i+=gap)
{
	int end = i;
	int tmp = a[end + gap];
	while (end >= 0)
	{
		if (tmp < a[end])
		{
			a[end + gap] = a[end];
			end -= gap;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
	a[end + gap] = tmp;
}

如果是👇,会有什么错误?

for (int i = 0; i < n; i+=gap)

会出现越界,因为当i加到一组中的最后一个的时候,此时end=i,就没有end+gap了。

多组

如果想要实现多趟,就再套一个循环即可。

  • 已知gap是指间隔,也就是说一共会有gap组,所以我们可以实现

方法一:三层循环(一组一组排)

cpp 复制代码
//多趟
for (int j = 0; j < gap; ++j)
	{
        //每组
		for (int i = j; i < n-gap; i += gap)
		{
			int end = i;
			int tmp = a[end + gap];
            //一组中的每趟
			while (end >= 0)
			{
				if (tmp < a[end])
				{
					a[end + gap] = a[end];
					end -= gap;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
			a[end + gap] = tmp;
		}
	}

方法二:多组并排

  • 也就是让end在几组之间反复跳跃,第一组->第二组->第三组->第一组->第二组...
  • 我们只需要把i的值改一下就可以了,改为i++,每次+1。这样就可以实现依次在每一个组里反复横跳了。
cpp 复制代码
//多组并排
void ShellSort(int* a, int n)
{
	//多组
	int gap = 3;
	for (int i = 0; i < n - gap; i++)
	{
		int end = i;
		int tmp = a[end + gap];
		//一趟
		while (end >= 0)
		{
			if (tmp < a[end])
			{
				a[end + gap] = a[end];
				end -= gap;
			}
			else
			{
				break;
			}
		}
		a[end + gap] = tmp;
	}
}

【直接插入排序】

如果整体的数量过大,gap为3是非常不合适的。所以, gap不可能为固定值,gap的取值是随着n变化的,所以gap有两种方式去取值。

  • 只需要控制gap的值,使其最后一次循环为1,这样就可以达到直接插入排序。(直接插入排序的gap为1)
  • 随着gap的变小,组数会变小,每组里面的数值个数会变大。
cpp 复制代码
void ShellSort(int* a, int n)
{
	//整体
	int gap = n;
	while (gap > 1)
	{
		//每组
		//gap = gap / 2;
		gap = gap / 3 + 1;
		for (int i = 0; i < n - gap; i++)
		{
			int end = i;
			int tmp = a[end + gap];
			//一趟
			while (end >= 0)
			{
				if (a[end] > tmp)
				{
					a[end + gap] = a[end];
					end -= gap;
				}
				else//<=
				{
					break;
				}
			}
			a[end + gap] = tmp;
		}
	}
}

特性总结

  1. 希尔排序是对直接插入排序的优化。

  2. 当gap > 1时都是预排序,目的是让数组更接近于有序。当gap == 1时,数组已经接近有序的了,这样就 会很快。这样整体而言,可以达到优化的效果。我们实现后可以进行性能测试的对比。

  3. 稳定性:不稳定

  4. 希尔排序的时间复杂度不好计算,因为gap的取值方法很多,导致很难去计算,因此在好些树中给出的 希尔排序的时间复杂度都不固定:

《数据结构(C语言版)》--- 严蔚敏

《数据结构-用面相对象方法与C++描述》--- 殷人昆

时间复杂度

O(N^1.3)

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