常见排序算法总结 (五) - 堆排序与堆操作

堆排序(借助 API)

算法思想

利用堆能够维护数组中最大值的性质,根据数组元素建立最大堆,依次弹出元素并维护堆结构,直到堆为空。

稳定性分析

堆排序是不稳定的,因为堆本质上是完全二叉树,排序的过程涉及二叉树的父子节点交换,没有办法保证办法保证相等的值一定在同一棵子树上被处理。

具体实现

java 复制代码
// Java 本身实现了优先队列的 API,其本质类似于堆,可以用来实现堆排序
private void heapSort(int[] arr) {
    Queue<Integer> queue = new PriorityQueue<>();
    for(int item : arr) {
        queue.offer(item);
    }
    for(int i = 0; i < arr.length; i++) {
        arr[i] = queue.poll();
    }
}

堆操作

上面的堆排序实现,有一种脑干缺失的美,图一乐就行。堆相关的内容中,堆的原理和操作显然更重要。

自顶向底建堆

自顶向底建堆,时间复杂度是 O ( N l o g N ) O(NlogN) O(NlogN) 这个量级的。自下而上的调整操作实现起来比较简单,原因是对于每个子节点而言,父节点是唯一的。

java 复制代码
// 交换数组中的两个元素
private void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

// 由下而上调整元素
private void upAdjust(int[] arr, int cur) {
    while (arr[cur] > arr[(cur - 1) / 2]) {
        // 当前元素大于父节点,那么进行交换并移动工作指针
        swap(arr, cur, (cur - 1) / 2);
        cur = (cur - 1) / 2;
    }
}

// 自顶向底建堆
private void buildHeap(int[] arr) {
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        upAdjust(arr, i);
    }
}

自底向顶建堆

自底向顶建堆,它的时间复杂度是 O ( N ) O(N) O(N) 这个量级的。实现相对来说要更麻烦,原因是父节点可能有两个子节点,涉及到与谁交换的判断。

java 复制代码
// 交换数组中的两个元素
private void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

// 由上而下调整元素
private void downAdjust(int[] arr, int cur, int size) {
    // 数组下标从零开始,当前节点的左孩子下标为 2 * cur + 1
    int child = 2 * cur + 1;
    while (child < size) {
        // 如果当前节点有右孩子,那么比较两个子节点的值确定潜在的交换对象
        int target = child + 1 < size && arr[child + 1] > arr[child] ? child + 1 : child;
        // 再与当前节点比较大小
        target = arr[target] > arr[cur] ? target : cur;
        // 一旦发现此次操作中无需交换,立即停止流程
        if (target == cur) {
            break;
        }
        // 交换父子节点
        swap(arr, target, cur);
        // 移动工作指针
        cur = target;
        child = 2 * cur + 1;
    }
}

// 自底向顶建堆
private void buildHeap(int[] arr) {
    int n = arr.length;
    for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        downAdjust(arr, i, n);
    }
}

堆排序(自己实现)

自顶向底建堆并实现排序

java 复制代码
// 交换数组中的两个元素
private void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

// 由下而上调整元素
private void upAdjust(int[] arr, int cur) {
    while (arr[cur] > arr[(cur - 1) / 2]) {
        // 当前元素大于父节点,那么进行交换并移动工作指针
        swap(arr, cur, (cur - 1) / 2);
        cur = (cur - 1) / 2;
    }
}

// 自顶向底建堆
private void buildHeap(int[] arr) {
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
        upAdjust(arr, i);
    }
}

// 由上而下调整元素
private void downAdjust(int[] arr, int cur, int size) {
    // 数组下标从零开始,当前节点的左孩子下标为 2 * cur + 1
    int child = 2 * cur + 1;
    while (child < size) {
        // 如果当前节点有右孩子,那么比较两个子节点的值确定潜在的交换对象
        int target = child + 1 < size && arr[child + 1] > arr[child] ? child + 1 : child;
        // 再与当前节点比较大小
        target = arr[target] > arr[cur] ? target : cur;
        // 一旦发现此次操作中无需交换,立即停止流程
        if (target == cur) {
            break;
        }
        // 交换父子节点
        swap(arr, target, cur);
        // 移动工作指针
        cur = target;
        child = 2 * cur + 1;
    }
}

// 堆排序
private void heapSort(int[] arr) {
    buildHeap(arr);
    int size = arr.length;
    // 不断地交换堆顶元素与堆中的最后一个元素,并向下调整维护堆
    while (size > 0) {
        swap(arr, 0, --size);
        downAdjust(arr, 0, size);
    }
}

自底向顶建堆并实现排序

java 复制代码
// 交换数组中的两个元素
private void swap(int[] arr, int i, int j) {
    int temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

// 由上而下调整元素
private void downAdjust(int[] arr, int cur, int size) {
    // 数组下标从零开始,当前节点的左孩子下标为 2 * cur + 1
    int child = 2 * cur + 1;
    while (child < size) {
        // 如果当前节点有右孩子,那么比较两个子节点的值确定潜在的交换对象
        int target = child + 1 < size && arr[child + 1] > arr[child] ? child + 1 : child;
        // 再与当前节点比较大小
        target = arr[target] > arr[cur] ? target : cur;
        // 一旦发现此次操作中无需交换,立即停止流程
        if (target == cur) {
            break;
        }
        // 交换父子节点
        swap(arr, target, cur);
        // 移动工作指针
        cur = target;
        child = 2 * cur + 1;
    }
}

// 自底向顶建堆
private void buildHeap(int[] arr) {
    int n = arr.length;
    for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        downAdjust(arr, i, n);
    }
}

// 堆排序
private void heapSort(int[] arr) {
    buildHeap(arr);
    int size = arr.length;
    // 不断地交换堆顶元素与堆中的最后一个元素,并向下调整维护堆
    while (size > 0) {
        swap(arr, 0, --size);
        downAdjust(arr, 0, size);
    }
}

梳理总结

堆排序主要有两大步骤,包括建堆和出堆排序,其中建堆的操作根据方向的不同有效率上的差异,但是因为出堆排序需要 O ( N l o g N ) O(NlogN) O(NlogN) 量级的时间,所以总的时间复杂度为 O ( N l o g N ) O(NlogN) O(NlogN)。

在实现的选择上,虽然自顶向底建堆本身相对比较容易实现,但是由于出堆排序的过程中一定会涉及到由上而下的调整,反而需要记忆更多的内容。因此,可以考虑只记住自底向顶建堆的实现方法。

事实上鉴于堆排序不具有稳定性,性能上也只是中规中矩,所以通常只有在考试遇到、要求实现不使用额外空间的情况下(随机快排需要额外的递归栈空间,大约是 O ( l o g N ) O(logN) O(logN) 的水平;归并需要额外的辅助数组,是 O ( N ) O(N) O(N) 的水平),会手写实现堆排序。

而在实际应用的过程中,空间换时间是常见操作,所以不需要额外空间的堆并没有什么优势。

堆本身可以维护数组中最大最小值的性质是非常美妙的,一般来说直接调用语言本身提供的 API 即可,例如 C++ 的 STL 和 Java 中都提供了优先队列。

后记

使用 Leetcode 912. 排序数组 进行测试,堆排序能够比较高效地完成任务,大致与随机快速排序相当。

相关阅读

相关推荐
paeamecium1 小时前
【PAT甲级真题】- Rational Sum (20)
数据结构·c++·python·算法·pat考试·pat
Highcharts.js7 小时前
教程:基于 React + Highcharts 构建一个单页应用程序、按需数据拉取与图表渲染
开发语言·前端·数据结构·react.js·前端框架·highcharts·页面应用
拳里剑气10 小时前
C++算法:BFS解决FloodFill算法
c++·算法·bfs·宽度优先
wanderist.12 小时前
Lambda表达式在算法竞赛中的应用
java·开发语言·算法
稚南城才子,乌衣巷风流12 小时前
支配树(Dominator Tree)详解:概念、算法与应用
算法
稚南城才子,乌衣巷风流13 小时前
动态开点:原理、实现与应用场景
数据结构·算法
yyds_yyd_1008613 小时前
1464. 数组中两元素的最大乘积(2026.07.27)
数据结构·c++·算法·leetcode
KaMeidebaby14 小时前
卡梅德生物技术快报 | 核酸适配体文库测序:核酸适配体文库测序的技术原理、实验流程与数据解析
前端·网络·数据库·人工智能·算法
geovindu15 小时前
CSharp: Breadth First Search Algorithm and Depth First Search Algorithm
开发语言·后端·算法·c#·.net·搜索算法