java算法OJ(5)归并排序

#1024程序员节|征文#

目录

1.前言

2.正文

2.1概念

2.2递归实现

2.3非递归实现

2.4时间与空间复杂度

3.小结


1.前言

哈喽大家好吖,今天来给大家分享Java中一个比较高效的算法------归并排序,这个相比于最初学的所谓的"三傻排序"(选择排序、冒泡排序和插入排序)在复杂度上优化了许多,那让我们废话不多说,开始今天的学习吧。

2.正文

2.1概念

归并排序的基本思想是将待排序的数组分成两半,采用分治法来将一个数组分成更小的子数组,递归地排序这些子数组,然后将已排序的子数组合并起来,从而得到整个列表的排序结果。

这个思路其实很容易让人想到递归,当然用递归实现起来代码也是相对比较清晰,当然也可以用非递归的方式来替换,下文都会讲解,接下来对归并排序的核心部分先进行讲解:

假设我们现在已经拿到了俩半的有序数组,那我们如何实现将俩个数组有序合并呢,这里我们采用了双指针,看图解:

假设我们现在有这样俩半数组,一个help数组用于临时存储排序过后的数组,其中a指针指向左侧的1,右指针指向左侧第一个元素2。比较这俩个元素,将较小者移入help数组,并且将指针移动,图解如下:

再继续比较当前a,b指针所指向的元素,继续进行上一步的操作,一直持续到下面这种情况:

此时a指针遍历到头已无数字,则将剩下的右侧数组的数字依次放入help数组,最后再将help数组中已经有序的元素依次拷贝进原数组即可,代码实现如下:

java 复制代码
public static void merge(int l,int m,int r){
        int a = l;//左侧指针
        int b = m + 1;//右侧指针
        int i = l;//这个l适用于往help数组拷贝数字使用
        //这个while采用双指针的策略
        while(a <= m && b <=r){
            help[i++] = arr[a] < arr[b] ? arr[a++] : arr[b++];
        }
        //下面俩个双循环用于如果一侧没数字后,则将另一侧依次按序填入
        while(a <= m){
            help[i++] = arr[a++];
        }
        while(b <= r){
            help[i++] = arr[b++];
        }
        //最后再依次拷贝进arr数组
        for(int x = l;x <= r;x++){
            arr[x] = help[x];
        }
    }

(博主是一个灵魂画手,请不要在意)

2.2递归实现

核心问题讲解完毕,接下来就是如何实现一次接着一次分半的过程了,思路如下:

  • 首先传入左右边界,若当前左右边界一致,意味着当前只有一个数,天然有序
  • 分半先找到中点在(l + r) / 2。
  • 接下来就是分左一半,右一半
  • 到最后调用核心排序的实现即可

语言上直接描述可能不太清晰,接下来我画递归决策树可能会比较清晰,还是拿上文的数组:

(我这画的很难绷啊我去)这个递归决策图还少一个向上的箭头我就先不画了,空间有限,每一次向下都是在继续分半找仍未排序的数组元素,向上即为返回来已经排序过的数组元素,代码如下:

java 复制代码
public static void mergeSort1(int l,int r){
        if(l == r){
            return;//如果仅有一个数,则该天然有序
        }
        int m = (l + r)/2;
        mergeSort1(l,m);
        mergeSort1(m + 1,r);
        merge(l,m,r);
    }

2.3非递归实现

我们也许听过一句话,任何递归的代码都可以转化为非递归,那么非递归又如何实现呢,看思路:

  • 初始间隔设为1
  • 进入循环,循环跳出条件为当间隔已经倍增到大于数组本身大小是,则已排序完可以跳出。
  • 接下来主要的就是找左中右边界,以便传入merge方法中,唯一要注意的就是不要越界
  • 最后传入即可。

代码如下:

java 复制代码
public static void mergeSort2() {
        int gap = 1; // 初始间隔为1
        // 当gap小于n时,继续合并
        for (; gap < n; gap <<= 1) {
            for (int i = 0; i < n; i += gap * 2) {
                int left = i;
                int mid = Math.min(left + gap - 1, n - 1); // 确保mid不会越界
                int right = Math.min(mid + gap, n - 1); // 确保right不会越界
                merge(left, mid, right);
            }
        }
    }

另外还有一种非递归实现方式,如下(这个思路也很厉害):

java 复制代码
public static void mergeSort2(){
        for(int l,m,r,step = 1;step < n;step <<= 1){
            l = 0;//进入循环条件是左侧仍没有跃出数组
            while(l < n){
                m = l + step - 1;
                if(m + 1 >= n){
                    break;//即右侧无数字,直接返回进入下一次循环
                }
                //当右侧有数字为r赋初值
                r = Math.min(l + (step << 1) - 1,n - 1);//寻找真正的边界
                merge(l,m,r);
                l = r + 1;//为下次循环找好左边界
            }
        }
    }

这里我再附上完整代码:

java 复制代码
import java.util.Scanner;

public class test {
    public static int MAXNUM = 100001;
    public static int[] arr = new int[MAXNUM];
    public static int[] help = new int [MAXNUM];
    public static int n;

    public static void main(String[] args) {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        n = scanner.nextInt();
        for(int i = 0;i < n;i++){
            arr[i] = scanner.nextInt();
        }
        //mergeSort1(0,n - 1);//递归排序
        mergeSort2();//非递归实现排序
        for(int i = 0;i < n - 1;i++){
            System.out.print(arr[i] + " ");
        }
        System.out.print(arr[n - 1]);
    }

    public static void mergeSort1(int l,int r){
        if(l == r){
            return;//如果仅有一个数,则该天然有序
        }
        int m = (l + r)/2;
        mergeSort1(l,m);
        mergeSort1(m + 1,r);
        merge(l,m,r);
    }

    public static void mergeSort2(){
        for(int l,m,r,step = 1;step < n;step <<= 1){
            l = 0;//进入循环条件是左侧仍没有跃出数组
            while(l < n){
                m = l + step - 1;
                if(m + 1 >= n){
                    break;//即右侧无数字,直接返回进入下一次循环
                }
                //当右侧有数字为r赋初值
                r = Math.min(l + (step << 1) - 1,n - 1);//寻找真正的边界
                merge(l,m,r);
                l = r + 1;//为下次循环找好左边界
            }
        }
    }


    public static void merge(int l,int m,int r){
        int a = l;//左侧指针
        int b = m + 1;//右侧指针
        int i = l;//这个l适用于往help数组拷贝数字使用

        while(a <= m && b <=r){
            help[i++] = arr[a] < arr[b] ? arr[a++] : arr[b++];
        }
        //下面俩个双循环用于如果一侧没数字后,则将另一侧依次按序填入
        while(a <= m){
            help[i++] = arr[a++];
        }
        while(b <= r){
            help[i++] = arr[b++];
        }
        //最后再依次拷贝进arr数组
        for(i = l;i <= r;i++){
            arr[i] = help[i];
        }
    }

}

2.4时间与空间复杂度

讲完了算法的具体实现,那它的优点到底有哪些呢

归并排序的时间复杂度是稳定的O(n log n),无论输入数据是已经排序的还是完全逆序的。此外,归并排序的空间复杂度为O(n),因为需要额外的空间来存储临时数组。就拿三傻排序的时间复杂度O()来比较,数据量一大差别就显现出来了。

那么归并排序的时间复杂度为何低呢,那是因为比较行为没有浪费!

3.小结

今天的分享到这里就结束了,喜欢的小伙伴点点赞点点关注,你的支持就是对我最大的鼓励,加油!

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