C语言数据结构之堆排序

news2024/11/27 10:38:53

青衿之志

履践致远

堆排序(Heapsort) 是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法，它是 选择排序 的一种。它是通过堆来进行选择数据。需要注意的是排升序要建大堆，排降序建小堆。

🎥二叉堆

🎥二叉树

🔥期待小伙伴们的支持与关注

目录

堆的创建

堆排序的实现

堆排序代码测试

整体代码实现

总结✨

稳定性

时间复杂度

空间复杂度

不适用于小数据集

堆的创建

堆创建的方法

下面我们给出一个数组，这个数组逻辑上可以看做一颗完全二叉树，但是还不是一个堆，现在我们通过算法，把它构建成一个堆。
 int a[] = {1,5,3,8,7,6};
我们一般采用 从下往上 建堆的方法，采用 向下调整 算法来建堆：

从倒数的 第一个非叶子节点的子树 开始调整，一直调整到 根节点 的树，就可以调整成堆

建堆的时间复杂度

因为堆是完全二叉树，而满二叉树也是完全二叉树，此处为了简化使用满二叉树来证明
叶子节点不需要堆化，所以需要堆化的节点从倒数第二层开始

每个节点堆化的过程中，需要比较和交换的节点个数，跟这个节点的高度 h 成正比

我们只需要将 每个节点的高度求和 ，得出的就是建堆的时间复杂度

因为是等比数列，我们可以用 错位相减法 计算时间复杂度

所以建堆的时间复杂度为 O(n)
for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
{
	AdjustDown(arr, n, i);
}
这里的 (n - 1 - 1) / 2， n-1 表示下标，其次是套公式（child = parent * 2 + 1）

求出 第一个非叶子节点的子树 并开始向下调整

向下调整算法
void AdjustDown(int* data, int n, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;
	while (child < n)
	{
		if (child + 1 < n && data[child + 1] > data[child])
		{
			child++;
		}
		if (data[child] > data[parent])
		{
			Swap(&data[child], &data[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}
我们这里采用了 大根堆 的算法，目的是为了 排升序

为啥排升序需要大根堆呢？
 int a[] = {1,5,3,8,7,6};
我们还是以这个树为栗子

<1>我们可以先交换 堆顶数据 和 堆末数据 ，在进行 向下调整 算法维护堆的性质

<2>因为这样升序待排数据就能先在数据末尾有序，并不断向前推进，最终有序

<3>如果我们采用的是小根堆，我们排的就是降序

结论：排升序建大堆 排降序建小堆

这里给老铁们动图展示：

堆排序的实现

void HeapSort(int* arr, int n)
{
	//建堆
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(arr, n, i);
	}
	//堆排序
	int len = n - 1;
	while (len)
	{
	//堆顶数据和堆末数据交换
		Swap(&arr[0],& arr[len]);
	//维护树的性质
		AdjustDown(arr, len, 0);
	//剔除已排好的数据
		len--;
	}
}

堆排序代码测试

int main(void)
{
	int arr[] = { 1,3,5,7,9,2,4,6,8,0 };
	HeapSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(int));
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(int); i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	printf("\n");
	system("pause");
	return 0;
}

整体代码实现

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void Swap(int* n, int* m)
{
	int tmp = *n;
	*n = *m;
	*m = tmp;
}

void AdjustDown(int* data, int n, int parent)
{
	int child = parent * 2 + 1;
	while (child < n)
	{
		if (child + 1 < n && data[child + 1] > data[child])
		{
			child++;
		}
		if (data[child] > data[parent])
		{
			Swap(&data[child], &data[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void HeapSort(int* arr, int n)
{
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(arr, n, i);
	}
	int len = n - 1;
	while (len)
	{
		Swap(&arr[0],& arr[len]);
		AdjustDown(arr, len, 0);
		len--;
	}
}

int main(void)
{
	int arr[] = { 1,3,5,7,9,2,4,6,8,0 };
	HeapSort(arr, sizeof(arr) / sizeof(int));
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(int); i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	printf("\n");
	system("pause");
	return 0;
}