Java實(shí)現(xiàn)堆排序(大根堆)的示例代碼
堆排序是一種樹形選擇排序方法,它的特點(diǎn)是:在排序的過程中,將array[0,...,n-1]看成是一顆完全二叉樹的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),利用完全二叉樹中雙親節(jié)點(diǎn)和孩子結(jié)點(diǎn)之間的內(nèi)在關(guān)系,在當(dāng)前無序區(qū)中選擇關(guān)鍵字最大(最?。┑脑?。
1. 若array[0,...,n-1]表示一顆完全二叉樹的順序存儲(chǔ)模式,則雙親節(jié)點(diǎn)指針和孩子結(jié)點(diǎn)指針之間的內(nèi)在關(guān)系如下:
任意一節(jié)點(diǎn)指針 i:父節(jié)點(diǎn):i==0 ? null : (i-1)/2
左孩子:2*i + 1
右孩子:2*i + 2
2. 堆的定義:n個(gè)關(guān)鍵字序列array[0,...,n-1],當(dāng)且僅當(dāng)滿足下列要求:(0 <= i <= (n-1)/2)
?、?array[i] <= array[2*i + 1] 且 array[i] <= array[2*i + 2]; 稱為小根堆;
?、?array[i] >= array[2*i + 1] 且 array[i] >= array[2*i + 2]; 稱為大根堆;
3. 建立大根堆:
n個(gè)節(jié)點(diǎn)的完全二叉樹array[0,...,n-1],最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)n-1是第(n-1-1)/2個(gè)節(jié)點(diǎn)的孩子。對(duì)第(n-1-1)/2個(gè)節(jié)點(diǎn)為根的子樹調(diào)整,使該子樹稱為堆。
對(duì)于大根堆,調(diào)整方法為:若【根節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵字】小于【左右子女中關(guān)鍵字較大者】,則交換。
之后向前依次對(duì)各節(jié)點(diǎn)((n-2)/2 - 1)~ 0為根的子樹進(jìn)行調(diào)整,看該節(jié)點(diǎn)值是否大于其左右子節(jié)點(diǎn)的值,若不是,將左右子節(jié)點(diǎn)中較大值與之交換,交換后可能會(huì)破壞下一級(jí)堆,于是繼續(xù)采用上述方法構(gòu)建下一級(jí)的堆,直到以該節(jié)點(diǎn)為根的子樹構(gòu)成堆為止。
反復(fù)利用上述調(diào)整堆的方法建堆,直到根節(jié)點(diǎn)。
4.堆排序:(大根堆)
①將存放在array[0,...,n-1]中的n個(gè)元素建成初始堆;
?、趯⒍秧斣嘏c堆底元素進(jìn)行交換,則序列的最大值即已放到正確的位置;
③但此時(shí)堆被破壞,將堆頂元素向下調(diào)整使其繼續(xù)保持大根堆的性質(zhì),再重復(fù)第②③步,直到堆中僅剩下一個(gè)元素為止。
堆排序算法的性能分析:
空間復(fù)雜度:o(1);
時(shí)間復(fù)雜度:建堆:o(n),每次調(diào)整o(log n),故最好、最壞、平均情況下:o(n*logn);
穩(wěn)定性:不穩(wěn)定
建立大根堆的方法:
//構(gòu)建大根堆:將array看成完全二叉樹的順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) private int[] buildMaxHeap(int[] array){ //從最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)array.length-1的父節(jié)點(diǎn)(array.length-1-1)/2開始,直到根節(jié)點(diǎn)0,反復(fù)調(diào)整堆 for(int i=(array.length-2)/2;i>=0;i--){ adjustDownToUp(array, i,array.length); } return array; } //將元素array[k]自下往上逐步調(diào)整樹形結(jié)構(gòu) private void adjustDownToUp(int[] array,int k,int length){ int temp = array[k]; for(int i=2*k+1; i<length-1; i=2*i+1){ //i為初始化為節(jié)點(diǎn)k的左孩子,沿節(jié)點(diǎn)較大的子節(jié)點(diǎn)向下調(diào)整 if(i<length && array[i]<array[i+1]){ //取節(jié)點(diǎn)較大的子節(jié)點(diǎn)的下標(biāo) i++; //如果節(jié)點(diǎn)的右孩子>左孩子,則取右孩子節(jié)點(diǎn)的下標(biāo) } if(temp>=array[i]){ //根節(jié)點(diǎn) >=左右子女中關(guān)鍵字較大者,調(diào)整結(jié)束 break; }else{ //根節(jié)點(diǎn) <左右子女中關(guān)鍵字較大者 array[k] = array[i]; //將左右子結(jié)點(diǎn)中較大值array[i]調(diào)整到雙親節(jié)點(diǎn)上 k = i; //【關(guān)鍵】修改k值,以便繼續(xù)向下調(diào)整 } } array[k] = temp; //被調(diào)整的結(jié)點(diǎn)的值放人最終位置 }
堆排序:
//堆排序 public int[] heapSort(int[] array){ array = buildMaxHeap(array); //初始建堆,array[0]為第一趟值最大的元素 for(int i=array.length-1;i>1;i--){ int temp = array[0]; //將堆頂元素和堆低元素交換,即得到當(dāng)前最大元素正確的排序位置 array[0] = array[i]; array[i] = temp; adjustDownToUp(array, 0,i); //整理,將剩余的元素整理成堆 } return array; }
刪除堆頂元素(即序列中的最大值):先將堆的最后一個(gè)元素與堆頂元素交換,由于此時(shí)堆的性質(zhì)被破壞,需對(duì)此時(shí)的根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行向下調(diào)整操作。
//刪除堆頂元素操作 public int[] deleteMax(int[] array){ //將堆的最后一個(gè)元素與堆頂元素交換,堆底元素值設(shè)為-99999 array[0] = array[array.length-1]; array[array.length-1] = -99999; //對(duì)此時(shí)的根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行向下調(diào)整 adjustDownToUp(array, 0, array.length); return array; }
對(duì)堆的插入操作:先將新節(jié)點(diǎn)放在堆的末端,再對(duì)這個(gè)新節(jié)點(diǎn)執(zhí)行向上調(diào)整操作。
假設(shè)數(shù)組的最后一個(gè)元素array[array.length-1]為空,新插入的結(jié)點(diǎn)初始時(shí)放置在此處。
//插入操作:向大根堆a(bǔ)rray中插入數(shù)據(jù)data public int[] insertData(int[] array, int data){ array[array.length-1] = data; //將新節(jié)點(diǎn)放在堆的末端 int k = array.length-1; //需要調(diào)整的節(jié)點(diǎn) int parent = (k-1)/2; //雙親節(jié)點(diǎn) while(parent >=0 && data>array[parent]){ array[k] = array[parent]; //雙親節(jié)點(diǎn)下調(diào) k = parent; if(parent != 0){ parent = (parent-1)/2; //繼續(xù)向上比較 }else{ //根節(jié)點(diǎn)已調(diào)整完畢,跳出循環(huán) break; } } array[k] = data; //將插入的結(jié)點(diǎn)放到正確的位置 return array; }
測試:
public void toString(int[] array){ for(int i:array){ System.out.print(i+" "); } } public static void main(String args[]){ HeapSort hs = new HeapSort(); int[] array = {87,45,78,32,17,65,53,9,122}; System.out.print("構(gòu)建大根堆:"); hs.toString(hs.buildMaxHeap(array)); System.out.print("\n"+"刪除堆頂元素:"); hs.toString(hs.deleteMax(array)); System.out.print("\n"+"插入元素63:"); hs.toString(hs.insertData(array, 63)); System.out.print("\n"+"大根堆排序:"); hs.toString(hs.heapSort(array)); }
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