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归并排序

 
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    归并排序(Merge Sort)是利用"归并"技术来进行排序。归并是指将若干个已排序的子文件合并成一个有序的文件。

    两路归并算法

    1、算法基本思路

     设两个有序的子文件(相当于输入堆)放在同一向量中相邻的位置上:R[low..m]R[m+1..high],先将它们合并到一个局部的暂存向量R1(相当于输出堆)中,待合并完成后将R1复制回R[low..high]中。

    (1)合并过程

     合并过程中,设置ijp三个指针,其初值分别指向这三个记录区的起始位置。合并时依次比较R[i]R[j]的关键字,取关键字较小的记录复制到R1[p]中,然后将被复制记录的指针ij1,以及指向复制位置的指针p1

     重复这一过程直至两个输入的子文件有一个已全部复制完毕(不妨称其为空),此时将另一非空的子文件中剩余记录依次复制到R1中即可。

    (2)动态申请R1

     实现时,R1是动态申请的,因为申请的空间可能很大,故须加入申请空间是否成功的处理。

    2、归并算法

    void Merge(SeqList Rint lowint mint high)

    {//将两个有序的子文件R[low..m)R[m+1..high]归并成一个有序的

    //子文件R[low..high]

    int i=lowj=m+1p=0 //置初始值

    RecType *R1 //R1是局部向量,若p定义为此类型指针速度更快

    R1=(ReeType *)malloc((high-low+1)*sizeof(RecType))

    if(! R1) //申请空间失败

    Error("Insufficient memory available!")

    while(i<=m&&j<=high) //两子文件非空时取其小者输出到R1[p]

    R1[p++]=(R[i].key<=R[j].key)?R[i++]R[j++]

    while(i<=m) //若第1个子文件非空,则复制剩余记录到R1

    R1[p++]=R[i++]

    while(j<=high) //若第2个子文件非空,则复制剩余记录到R1

    R1[p++]=R[j++]

    for(p=0i=lowi<=highp++i++)

    R[i]=R1[p]//归并完成后将结果复制回R[low..high]

    } //Merge

    归并排序

    归并排序有两种实现方法:自底向上和自顶向下。

    1、 自底向上的方法

    (1) 自底向上的基本思想

    自底向上的基本思想是:第1趟归并排序时,将待排序的文件R[1..n]看作是n个长度为1的有序子文件,将这些子文件两两归并,若n为偶数,则得到

    个长度为2的有序子文件;若n为奇数,则最后一个子文件轮空(不

    参与归并)。故本趟归并完成后,前

    个有序子文件长度为2,但最

    后一个子文件长度仍为1;第2趟归并则是将第1趟归并所得到的

    个有

    序的子文件两两归并,如此反复,直到最后得到一个长度为n的有序文件为止。

    上述的每次归并操作,均是将两个有序的子文件合并成一个有序的子文件,故称其为"二路归并排序"。类似地有k(k>2)路归并排序。

    (2) 二路归并排序的全过程

    参见动画演示

    (3) 一趟归并算法

    分析:

    在某趟归并中,设各子文件长度为length(最后一个子文件的长度可能小于length),则归并前R[1..n]中共有

    个有序的子文件:R

    [1..length],R[length+1..2length],…,

    注意:

    调用归并操作将相邻的一对子文件进行归并时,必须对子文件的个数可能是奇数、以及最后一个子文件的长度小于length这两种特殊情况进行特殊处理:

    ① 若子文件个数为奇数,则最后一个子文件无须和其它子文件归并(即本趟轮空);

    ② 若子文件个数为偶数,则要注意最后一对子文件中后一子文件的区间上界是n。

    具体算法如下:

    void MergePass(SeqList Rint length)

    { //R[1..n]做一趟归并排序

    int i

    for(i=1;i+2*length-1<=n;i=i+2*length)

    Merge(Rii+length-1i+2*length-1)

    //归并长度为length的两个相邻子文件

    if(i+length-1<n) //尚有两个子文件,其中后一个长度小于length

    Merge(Rii+length-1n) //归并最后两个子文件

    //注意:若ini+length-1n时,则剩余一个子文件轮空,无须归并

    } //MergePass

    (4)二路归并排序算法

    void MergeSort(SeqList R)

    {//采用自底向上的方法,对R[1..n]进行二路归并排序

    int length

    for(1ength=1length<nlength*=2) //

    趟归并

    MergePass(Rlength) //有序段长度≥n时终止

    }

    注意:

    自底向上的归并排序算法虽然效率较高,但可读性较差。

    2、自顶向下的方法

    采用分治法进行自顶向下的算法设计,形式更为简洁。

    (1)分治法的三个步骤

    设归并排序的当前区间是R[low..high],分治法的三个步骤是:

    ①分解:将当前区间一分为二,即求分裂点

    ②求解:递归地对两个子区间R[low..mid]和R[mid+1..high]进行归并排序;

    ③组合:将已排序的两个子区间R[low..mid]和R[mid+1..high]归并为一个有序的区间R[low..high]。

    递归的终结条件:子区间长度为1(一个记录自然有序)。

    (2)具体算法

    void MergeSortDC(SeqList Rint lowint high)

    {//用分治法对R[low..high]进行二路归并排序

    int mid

    if(low<high){//区间长度大于1

    mid=(low+high)/2 //分解

    MergeSortDC(Rlowmid); //递归地对R[low..mid]排序

    MergeSortDC(Rmid+1high) //递归地对R[mid+1..high]排序

    Merge(Rlowmidhigh) //组合,将两个有序区归并为一个有序区

    }

    }//MergeSortDC

    (3)算法MergeSortDC的执行过程

    算法MergeSortDC的执行过程如下图所示的递归树。

    二、算法分析

    1、稳定性

     归并排序是一种稳定的排序。

    2、存储结构要求

     可用顺序存储结构。也易于在链表上实现。

    3、时间复杂度

     对长度为n的文件,需进行

    趟二路归并,每趟归并的时间为O(n),故其时间复杂度无论是在最好情况下还是在最坏情况下均是O(nlgn)。

    4、空间复杂度

     需要一个辅助向量来暂存两有序子文件归并的结果,故其辅助空间复杂度为O(n),显然它不是就地排序。

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