排序算法——堆排序

此笔记仅作本人学习、复习与思考用。

 

堆：是一个完全二叉树，该数据结构遵循一个规则，根节点大小必须大于或者小于孩子节点的大小。

堆排序：利用堆结构的特性来进行排序，比如，假设有数集Z=｛x₁，x₂，x₃，...，x_n｝，该数集初始是一个无序序列，现在通过堆排序对其进行排序，首先将该序列调整成堆，即满足堆定义的序列，其次将堆顶（建堆完成之后，堆顶就是该数集的最大值）与末元素进行对换，然后将该数集变成Z=｛x₁，x₂，x₃，...，x_n-1｝，直到Z=｛x₁｝，则排序完成。

核心步骤：建堆过程

建堆过程：首先这是一个从下到上，从右到左的调整过程。

　　　　1，从该完全二叉树的最下最右的子树进行调整（比较懒，直接搬运别人的图）

           

　　　　调整 比较1，3，4 这三个的大小，然后做出调整，比较的过程是先比较孩子大小，再让孩子比较根的大小，调整完毕之后就变成这样子

　　　　2，继续左移根节点即第一次调整的树1，现在调整树0，调整步骤同上，调整完成之后

　　　　但是会发现，这样调整之后，树1就不满足堆定义，需要重新调整树1，所以最后调整的结果是

　　　　此时建堆过程结束，就进入首尾调换元素的步骤。该算法的核心步骤就是建堆，所以图示就只介绍到建堆完毕。

　　　　先上代码，再根据代码进行解读。

 1 using System;
 2 using System.Collections.Generic;
 3 using System.Linq;
 4 using System.Text;
 5 using System.Threading.Tasks;
 6 
 7 namespace 堆排序
 8 {
 9     class Program
10     {
11         public static int[] arr = { 3, 5, 3, 0, 8, 6, 1 };
12         static void Main(string[] args)
13         {
14             heapSort(arr, arr.Length);
15             foreach (var item in arr)
16             {
17                 Console.Write(item + "   ");
18             }
19             Console.ReadKey();
20         }
21 
22         public static void heapSort(int []a,int length)
23         {
24             for (int i = length / 2 - 1; i >= 0; --i)                  // 从最后一个根节点开始，从右往左，从下往上调整
25             {
26                 swapSort(arr, i, length);
27             }
28             for(int i=length -1;i>0;--i)
29             {
30                 swap(arr, 0, i);                                  // 根元素和尾元素调换
31                 swapSort(arr, 0, i-1);                       // 去掉最后一个元素，重新调整堆结构，调整顺序是从上到下，从左到右
32             }
33         }
34 
35         public static void swapSort(int []a,int i,int length)
36         {
37             for(int k=2*i+1;k<length;k=2*k+1)     // 从左孩子开始，每次调整结束后，都从该节点下的左孩子开始重新调整下面的结构   @1
38             {
39                 if (k+1<length&&arr[k]<arr[k+1])    // 首先找出左孩子和右孩子的最大值          @2
40                 {
41                     k++;
42                 }
43                 if (arr[k]>arr[i])            //  如果孩子比根大，则调换位置，且记录被调换孩子的位置，方便调整该孩子下的结构           @3
44                 {
45                     swap(arr, i, k);
46                     i = k;
47                 }
48                 else
49                 {
50                     break;
51                 }
52             }
53         }
54 
55         public static void swap(int []a,int i,int k)
56         {
57             int temp = arr[i];
58             arr[i] = arr[k];
59             arr[k] = temp;
60         }
61     }
62 }

 

　　　　其中完成结构调整的部分是

 1  public static void heapSort(int []a,int length)
 2         {
 3             for (int i = length / 2 - 1; i >= 0; --i)                  // 从最后一个根节点开始，从右往左，从下往上调整   ＠1
 4             {
 5                 swapSort(arr, i, length);
 6             }
 7             for(int i=length -1;i>0;--i)           // ＠2
 8             {
 9                 swap(arr, 0, i);                                  // 根元素和尾元素调换
10                 swapSort(arr, 0, i-1);                       // 去掉最后一个元素，重新调整堆结构，调整顺序是从上到下，从左到右
11             }
12         }
13 
14         public static void swapSort(int []a,int i,int length)
15         {
16             for(int k=2*i+1;k<length;k=2*k+1)     // 从左孩子开始，每次调整结束后，都从该节点下的左孩子开始重新调整下面的结构   @3
17             {
18                 if (k+1<length&&arr[k]<arr[k+1])    // 首先找出左孩子和右孩子的最大值          @4
19                 {
20                     k++;
21                 }
22                 if (arr[k]>arr[i])            //  如果孩子比根大，则调换位置，且记录被调换孩子的位置，方便调整该孩子下的结构           @5
23                 {
24                     swap(arr, i, k);
25                     i = k;
26                 }
27                 else
28                 {
29                     break;
30                 }
31             }
32         }

 

 

　　　　代码解读：

＠1：从最后的一个父节点开始调整，如下图：

先从4节点开始调整，然后是3结点，直到调整到0结点。

＠2：这步是已经建立在建堆完毕之后的步骤，建堆完成之后，首尾元素调换，则最大的元素放到了数集末尾，然后去掉末尾元素的树可能不符合堆的定义，那么就需要重新建堆，因为调整的是根结点，所以调整的步骤就是从上到下，从左到右进行调整而不是之前的方法。

＠3，＠4，＠5：从此步骤开始，就是各个小树的调整，这里做个参数解释：i = 根结点，k = 左孩子，length = 树的长度；从左孩子开始调整，首先比较左孩子和右孩子的大小，如果右孩子比左孩子大，则k右移，然后将右孩子和父结点进行比较，如果孩子结点比父结点大，则交换数值，否则跳出循环即该子树不需要进行调整了赶紧下一个子树吧；看下图：

首先比较结点7和结点8的大小，然后比较结点7和结点3的大小，发现孩子比父亲大，所以调整位置；接着继续调整前面的子树（跳过子树2，假设子树2无需调整，直接调整子树1），同样发现结点3大于结点1，那么需要调换，但是因为结点3也是一个根结点，这样调换之后结点3的子树可能会不符合堆定义，看下图：

                                    

 

如果调整之后，子树不符合堆定义，那么就继续调整该结点下的子树，直到符合定义为止；所以该for循环的每次循环结束之后都要令 k=2*k+1 ，表示调整了当前的树，就要调整之前被调整结点的子树的左孩子，此时 i = k 就表示 现在需要调整的根结点已经变成了之前调整的孩子结点，比如上图中首先调整了结点3和结点1，在调整之前，i 代表结点1，k代表结点3，调整完成之后，i 代表结点3，k代表结点7，想象一下，如果结点7下面还有许许多多的子树，那么这样赋值  i = k，就可以一直帮我们解决调整的问题。