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归并排序算法(Merge Sort)的实现(代码)

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qbwww|  楼主 | 2022-1-1 21:50 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本文分享自华为云社区《一看就懂 ! 图解归并排序》,作者: bigsai 。
归并排序(Merge Sort)是建立在归并操作上的一种有效,稳定的排序算法,该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。

  一、算法思想

归并排序的主要思想是分治法。主要过程是:
1. 将n个元素从中间切开,分成两部分。
2. 将剩下的数组通过递归的方式一直分割,直到数组的大小为 1,此时只有一个元素,那么该数组就是有序的了。
3. 从最底层开始逐步合并两个排好序的数列。把两个数组大小为1的合并成一个大小为2的有序数列,再把两个大小为2有序数列的合并成4的有序数列 … 直到全部小的数组合并起来。

  二、思考
那么如何将两个有序数列合成一个有序的数列呢?
我们举个栗子把,一看就懂啦。

  三、举个栗子
例如有数组 arr [3,7,8,10,2,4,6,9]; 我们可以把这个数组分成两个有序的子序列。
分别为 [3, 7, 8, 10] 和 [2, 4, 6, 9],并将其合并为有序序列[2,3,4,6,7,8,9,10]。

  第一步:
把这两个小的数组拆分为 left 数组和 right 数组。如下图所示,使用 i 指向 left 的第一个元素, 使用 j 指向 right 的第一个元素。

  第二步:
建立一个空数组 arr ,使用 k 指向数组第一个元素。

  第三步:
比较 i 和 j 所指数字,将小的数字放在 k 所指位置。同时将小的数字所指位置和 k 所指位置向右移一位。
2 < 3 , 将 2 填入 arr 数组 ,同时右移 j 和 k。

3 < 4 , 将 3 填入 arr 数组 ,同时右移 i 和 k。

4 < 7,将 4 填入 arr 数组,同时右移 j 和 k。

6 < 7,将 6 填入 arr 数组,同时右移 j 和 k。

7 < 9,将 7 填入 arr 数组,同时右移 i 和 k。

8 < 9,将 8 填入 arr 数组,同时右移 i 和 k。

10 > 9,将 9 填入 arr 数组,同时右移 j 和 k。

可以发现此时 right 数组已经填完了,所以此时只需要把 left 数组剩下的数字填入 arr 即可。

一顿操作猛如虎,这样就把两个有序的数组通过归并的方式排好顺序啦,是不是很赞。

那么问题来了,难道归并排序只能排这种有序的数组么?
那出现一个无序的数组该咋办呢?例如这个数组现在变为 arr [8,7,2,10,3,9,4,6];

  四、问题解决
此刻需要运用分治(divide-and-conquer)策略(分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解,而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案"修补"在一起,即分而治之)。
其实上面第三部分就是治(conquer)的过程,将两个有序的序列合成为一个有序的序列。
  小栗子:图解无序序列进行希尔排序。

  五、算法实现
  
  •        #include <stdio.h>
  •        void merge(int arr[], int L, int M, int R) {
  •          int LEFT_SIZE = M - L;
  •          int RIGHT_SIZE = R - M + 1;
  •          int left[LEFT_SIZE];
  •          int right[RIGHT_SIZE];
  •          int i, j, k;
  •          // 填充左边的数组
  •           for (i=L; i<M; i++){
  •             left[i-L] = arr;
  •           }
  •          // 填充右边的数组
  •           for (i=M; i<=R; i++){
  •             right[i-M] = arr;
  •           }
  •        // for (int i=0; i<LEFT_SIZE; i++){
  •        // printf("%d\n",left);
  •        // }
  •        //
  •        // for (int i=0; i<RIGHT_SIZE; i++){
  •        // printf("%d\n",right);
  •        // }
  •          // 合并数组
  •           i = 0; j = 0; k = L;
  •           while (i < LEFT_SIZE && j < RIGHT_SIZE){
  •             if (left < right[j]){
  •               arr[k] = left;
  •               i++;
  •               k++;
  •             }else{
  •               arr[k] = right[j];
  •               j++;
  •               k++;
  •             }
  •           }
  •           while(i < LEFT_SIZE){
  •             arr[k] = left;
  •             i++;
  •             k++;
  •           }
  •           while(j < RIGHT_SIZE){
  •             arr[k] = right[j];
  •             j++;
  •             k++;
  •           }
  •        }
  •        void mergeSort(int arr[], int L, int R){
  •          if (L == R){
  •            return;
  •          }else{
  •            int M = (L + R) / 2;
  •            mergeSort(arr,L,M);
  •            mergeSort(arr, M+1,R);
  •            merge(arr, L, M+1,R);
  •          }
  •        }
  •        int main(){
  •        // int arr[] = {3,7,8,10,2,4,6,9};
  •          int arr[] = {8,7,2,10,3,9,4,6};
  •          int L = 0;
  •          int M = 4;
  •          int R = 7;
  •          mergeSort(arr,L,R);
  •          for (int i=0; i<=R; i++){
  •            printf("%d\n",arr);
  •          }
  •        }



输出:


  六、算法分析
时间复杂度:O(nlogn)。
空间复杂度:O(N),归并排序需要一个与原数组相同长度的数组做辅助来排序。
稳定性:稳定,因为交换元素时,可以在相等的情况下做出不移动的限制,所以归并排序是可以稳定的。

  七、适用场景
归并排序需要一个跟待排序数组同等空间的临时数组,因此,使用归并排序时需要考虑是否有空间上的限制。如果没有空间上的限制,归并排序是一个不错的选择。

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沙发
qbwww|  楼主 | 2022-1-1 21:51 | 只看该作者
从最底层开始逐步合并两个排好序的数列。把两个数组大小为1的合并成一个大小为2的有序数列,再把两个大小为2有序数列的合并成4的有序数列 … 直到全部小的数组合并起来。

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