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数据结构-二路归并及归并排序

2017-12-08 12:47 218 查看

一、介绍:

归并排序(Merge sort)是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并,得到完全有序的序列;即先使每个子序列有序,再使子序列段间有序。

该算法的核心思想是二路归并。

二、二路归并介绍

[b]<1>在归并的过程中步骤如下:[/b]

①设定两个指针(不一定非是指针,只需要记住对应开始下标即可),最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置;

②比较两个指针所指向的元素,选择相对小的元素放入到合并空间,并移动指针到下一位置;

③重复步骤3直到某一指针达到序列尾;

④将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾;

[b]<2>例如:将a1,a2两个有序数列合并为一个序列。[/b]

void Merge(int* a1, int a1size, int* a2, int a2size, int* res)
{
//合并两个有序序列a1 a2 结果保存在res数组中
int a1_index, a2_index, res_index;
a1_index = a2_index = res_index = 0;
while (a1_index < a1size && a2_index < a2size)
{
if (a1[a1_index] < a2[a2_index])
res[res_index++] = a1[a1_index++];
else
res[res_index++] = a2[a2_index++];
}

//将a1或a2剩余部分插入到res
while (a1_index < a1size)
res[res_index++] = a1[a1_index++];
while (a2_index < a2size)
res[res_index++] = a2[a2_index++];
}

int main()
{
int a1[] = { 2,3,5 };
int a2[] = { 2,9 };
int a1size = sizeof(a1) / sizeof(a1[0]);
int a2size = sizeof(a2) / sizeof(a2[0]);
int a3size = a1size + a2size;
int* a3 = new int[a3size];

Merge(a1, a1size, a2, a2size, a3);

for (int i = 0; i < a3size; i++)
cout << a3[i] << " " << endl;

system("pause");
return 0;
}


输出结果为:2 2 3 5 9

[b]<3>图解二路归并:[/b]







三、归并排序主体思想:

1. Divide: 把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列。

2. Conquer: 对这两个子序列分别采用归并排序。

3. Combine: 将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

简而言之就是将整个数组划分到不能再划分为止,划分的过程可以通过递归来实现而,再依次进行归并操作,在归并的过程中,借助另一个数组来暂时存放该区间排序后的结果,再拷贝回原数组。来张图形象的理解下:



四、代码实现及测试:

#include <iostream>

using namespace std;

//将子序列归并为一个完整序列
void Merge(int* a, int first, int mid, int last, int* res)
{
//将a[first mid] a[mid+1 last]排序合并
int first_start = first, first_end = mid;
int second_start = mid + 1, second_end = last;
int res_index = 0;
while (first_start <= mid && second_start <= last)
{
if (a[first_start] < a[second_start])
res[res_index++] = a[first_start++];
else
res[res_index++] = a[second_start++];
}

while (first_start <= mid)
res[res_index++] = a[first_start++];

while (second_start <= last)
res[res_index++] = a[second_start++];

//拷贝回原来的空间
for (int i = 0; i < res_index; i++)
a[first + i] = res[i];
}

//递归不断划分区间
void merge_sort(int* a, int first, int last, int* res)
{
if (first >= last)
return;

int mid = (first + last) / 2;
merge_sort(a, first, mid, res);     //左边有序
merge_sort(a, mid + 1, last, res);  //右边有序
Merge(a, first, mid, last, res);    //将左右两个有序数列进行排序归并
}

bool MergeSort(int a[], int n)
{
int *res = new int
;
if (res == NULL)
return false;
merge_sort(a, 0, n - 1, res);
for (int i = 0; i < n; i++)
cout << a[i] << " ";

delete[] res;
return true;
}

int main()
{
int a[] = {3,2,5,9,2};
MergeSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

system("pause");
return 0;
}


输入结果为:2 2 3 5 9

五:图示整个归并排序过程:



六、优化思路

由于使用递归的方式将数组划分到不能再划分为止,再依次进行排序后归并,栈帧开销非常大,可以采用小区间优化的方式,在划分的过程中判断子序列的元素个数,若小于10(可根据情况而定),可利用插入排序来直接完成此段空间的排序过程。这样一来就可以减少递归次数,尤其是当数据量变大时就会很明显(插入排序讲解参考插入排序讲解

七、非递归实现

非递归实现中,就不需要先划分为一个再归并,而是直接可以归并两个元素,然后四个,八个…,假如数组为6,2,8,1,5,4,非递归过程图示如下:



代码实现:

void Merge(int* a, int first, int mid, int last, int* res)
{
//将a[first mid] a[mid+1 last]排序合并
int first_start = first, first_end = mid;
int second_start = mid + 1, second_end = last;
int res_index = 0;
while (first_start <= mid && second_start <= last)
{
if (a[first_start] < a[second_start])
res[res_index++] = a[first_start++];
else
res[res_index++] = a[second_start++];
}

while (first_start <= mid)
res[res_index++] = a[first_start++];

while (second_start <= last)
res[res_index++] = a[second_start++];

//拷贝回原来的空间
for (int i = 0; i < res_index; i++)
a[first + i] = res[i];
}

//len为数组元素个数
void MergeSortNR(int* a,int len)
{
int size = 1; //size为一半部分的元素个数
int left, right, mid;
left = right = mid = 0;
int* tmp = new int[len];

while (size <= len - 1)
{
left = 0;
while (left + size <= len -1)
{
//mid等于left+子序列一半的个数-1;
mid = left + size - 1;
right = mid + size;

//若right超出数组范围,right=最后一个元素下标
if (right > len - 1)
right = len - 1;

Merge(a, left, mid, right, tmp);
left = right + 1;
}
size *= 2;
}
}
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