C语言---排序算法4---希尔排序法

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希尔排序(Shell Sort)是插入排序的一种高效改进版本,也称为缩小增量排序。它通过将原始数组分成多个子序列进行插入排序,逐步缩小子序列的间隔(增量),最终对整个数组进行一次插入排序,从而显著提高排序效率。

核心思想

1、分组插入排序:将原始数组按一定间隔(增量)分成若干子序列,对每个子序列进行插入排序。

2、逐步缩小增量:每次排序后减小增量,重复分组和插入排序,直到增量为1(此时相当于普通插入排序,但数组已基本有序)。

算法步骤

1、选择增量序列:初始增量通常为数组长度的一半,之后每次减半(如 gap = n/2, gap/2, ..., 1)。

2、分组插入排序:

对每个增量 gap,将数组分为 gap 个子序列(例如,gap=3 时,子序列为 arr\[0, arr3, arr6, ...]、arr\[1, arr4, arr7, ...] 等)。

对每个子序列进行插入排序。

3、终止条件:当增量缩小至1时,完成最后一次插入排序,数组有序。

代码实现

bash 复制代码
#include <stdio.h>

void shellSort(int arr[], int n) {
    // 初始增量设为数组长度的一半,逐步缩小
    for (int gap = n / 2; gap > 0; gap /= 2) {
        // 对每个子序列进行插入排序
        for (int i = gap; i < n; i++) {
            int temp = arr[i];
            int j;
            // 插入排序:将arr[i]插入到子序列的正确位置
            for (j = i; j >= gap && arr[j - gap] > temp; j -= gap) {
                arr[j] = arr[j - gap];
            }
            arr[j] = temp;
        }
    }
}

int main() {
    int arr[] = {12, 34, 54, 2, 3, 8, 19};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    
    printf("排序前: ");
    for (int i = 0; i < n; i++) printf("%d ", arr[i]);
    
    shellSort(arr, n);
    
    printf("\n排序后: ");
    for (int i = 0; i < n; i++) printf("%d ", arr[i]);
    
    return 0;
}

执行过程示例

初始状态

数组:12, 34, 54, 2, 3, 8, 19

长度 n = 7,初始增量 gap = 7/2 = 3(整数除法)。

第一轮排序(gap=3)

1、子序列分组:

子序列1(索引 0, 3, 6):12, 2, 19

子序列2(索引 1, 4):34, 3

子序列3(索引 2, 5):54, 8

2、对每个子序列进行插入排序:

子序列1:12, 2, 19

插入 2:2, 12, 19(2 插入到 12 前)

插入 19:已有序,无需移动

排序后:2, 12, 19

子序列2:34, 3

插入 3:3, 34(3 插入到 34 前)

排序后:3, 34

子序列3:54, 8

插入 8:8, 54(8 插入到 54 前)

排序后:8, 54

本轮排序后数组:

2, 3, 8, 12, 34, 54, 19

第二轮排序(gap=1)

此时 gap = 3/2 = 1,进行标准插入排序(对整个数组)。

逐步插入过程:

i=1:元素 3,已比 2 大,无需移动 → 2, 3, 8, 12, 34, 54, 19

i=2:元素 8,已比 3 大,无需移动 → 同上

i=3:元素 12,已比 8 大,无需移动 → 同上

i=4:元素 34,已比 12 大,无需移动 → 同上

i=5:元素 54,已比 34 大,无需移动 → 同上

i=6:元素 19,需插入到 12 后:

比较 19 和 54:19 < 54 → 移动 54 到 19 的位置

比较 19 和 34:19 < 34 → 移动 34 到 54 的位置

比较 19 和 12:19 > 12 → 停止,插入到 12 后

数组变为:2, 3, 8, 12, 19, 34, 54

最终排序结果:

2, 3, 8, 12, 19, 34, 54

特点

1、增量选择:希尔排序的性能依赖于增量序列的选择。常见序列有:

n/2, n/4, ..., 1(简单但非最优)。

Hibbard序列(1, 3, 7, ..., 2^k-1)。

Sedgewick序列(更复杂但更高效)。

2、稳定性:希尔排序是不稳定的(相同元素可能因增量跨步而改变相对顺序)。

优缺点

优点:

1、比简单插入排序快得多,尤其对中等规模数组。

2、不需要额外空间(原地排序)。

缺点:

1、时间复杂度不稳定,依赖增量序列。

2、不稳定排序(可能改变相同元素的顺序)。

适用场景

1、数据量中等(如几千到几万元素)。

2、对内存使用敏感(无需额外空间)。

3、不需要稳定排序时。

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