C语言模拟实现堆排序

news2024/11/5 17:22:01

堆排序是一种效率比较高的排序方法,时间复杂度O(n\log n)

堆分为大堆和小堆,如果想要拍升序我们需要建立大堆,而如果想要拍降序则需要建立小堆,在使用堆排序前需要先建立一个堆,如果不会建立可以看我前面写的C语言模拟实现堆的代码。

堆是一个完全二叉树,因此一个数组就是一个完全二叉树。

一、堆的建立

我们可以先写一个图中的数组,然后将其变成一个堆。运行代码如下:

typedef int HPDataType;
typedef struct Heap
{
	HPDataType* a;  //用来表示堆的数组
	int capacity;
	int size;
}Heap;

void  Test01()
{
	Heap hp;
	HeapInit(&hp);  //初始化一个堆
	int arr[] = { 8,5,3,4,8,21,5,4,68,24 };
	int  i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(int);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		HeapPush(&hp, arr[i]);  //将数组arr中的元素一个个插入到堆中的数组中
                                  然后构建成一个堆
	}
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		arr[i] = hp.a[i];//再将堆中的元素重新把数组的元素覆盖,
                           arr数组中的元素便构成堆
	}
	HeapDestory(&hp);
}

代码运行后的结果如图 ,在逻辑结构上的表示如图:我们可以清楚的看到这是一个小堆。

上述的方法可行,但过于麻烦。

1.向上调整算法构建堆

我们可以直接在原数组arr中使用向上调整算法构建堆。向上调整算法的代码如下 :

void AdjustUp(HPDataType* a, int child)  //构建小堆
{
	assert(a);
	int parent = (child - 1) / 2;
	while (child > 0)
	{
		if (a[child] < a[parent])  //如果孩子小于父亲,内容就互换
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			child = parent;
			parent = (child - 1) / 2;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

在没有排序前,数组arr的逻辑结构如图: ,在这里我们要构建的是小堆,因此父结点的值小于等于子结点的值。向上调整我们要从上往下看,先看第一个节点8,忽略掉其他的节点,由于只有一个节点,因此它自己构成一个堆。然后看第一个节点和第二个节点,第二个节点5小于8,因此向上调整,数字5和8的位置互换,如图再看第一个节点和第三个节点,数字5大于数字3,因此3和5的位置需要互换,如图:这样前三个节点变构成一个小堆,然后依次往下构建,直到结束。在这里我们只需要比较父结点和子结点的大小,兄弟结点之间没有要求。我们可以看到一个节点就是一个小堆,因此我们只需要从第二个结点开始比较。

由于在物理结构上是一个数组,因此父结点与子结点之间的关系是:parent = (child - 1) / 2、

leftchild = parent * 2 + 1、 rightchild = parent * 2 + 2

代码实现如图:

void  Test01()
{
	Heap hp;
	HeapInit(&hp);
	int arr[] = { 8,5,3,4,8,21,5,4,68,24 };
	int  i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(int);
	for (i = 1; i < sz; i++)
	{
		AdjustUp(arr, i);
	}
	HeapDestory(&hp);
}

代码运行后结果如图: ,我们可以看出这也是个小堆。

2.向下调整算法构建堆

向下调整算法如下:

void AdjustDown(HPDataType* a, int n, int parent)  //n是数组的大小
{
	assert(a);
	int child = parent * 2 + 1; // 假设左孩子小于右孩子
	while (child < n)
	{
		if (child + 1 < n && a[child] > a[child + 1]) //child+1 < n保证右孩子存在
		{
			child++;
		}  //运行到此处,变量child存储的是最小孩子的位置
		if (a[parent] > a[child])
		{
			Swap(&a[parent], &a[child]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

向下调整算法,我们要从下往上看,如图 由于21,5,4,68,24这些结点没有孩子,因此不需要向下调整,故向下调整算法我们要从最后一个节点的父结点(即非叶子结点的最后一个)开始向下调。由于在数组上有n个空间,因此最后一个结点的位置为n-1,故它的父结点的位置是(n-1-1)/2,故我们要从结点24的父结点8开始向下调。由于结点24大于结点8,因此8不需要向下调整。然后看结点4,结点4的孩子分别是4和68,由于两个孩子中,结点4要小于68,且与父结点相等,因此父结点4也不需要向下调整。依次向上遍历,直到结束。代码如下:

void  Test01()
{
	Heap hp;
	HeapInit(&hp);
	int arr[] = { 8,5,3,4,8,21,5,4,68,24 };
	int  i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(int);
	for (i = (sz - 2) / 2; i >= 0; --i)
	{
		AdjustDown(arr, sz, i);
	}
	HeapDestory(&hp);
}

运行结果如图 ,我们可以得到一个小堆。

注:运行结果不唯一

二、排序的实现

由于在上述代码中,我们构建的是一个小堆,因此我们要排降序。

上面构建的小堆如图:

 我们排降序的方法是首先把根结点和最后一个结点的位置互换,其次忽略掉最后一个节点(即最小的数字),最后将互换后的根结点向下调整重新构建成堆,重复上述操作便可以排成降序。

小堆的数组形式如图:

运行代码:

void  Test01()
{
	Heap hp;
	HeapInit(&hp);
	int arr[] = { 8,5,3,4,8,21,5,4,68,24 };
	int  i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(int);
	for (i = (sz - 2) / 2; i >= 0; --i)
	{
		AdjustDown(arr, sz, i);
	}
	int end = sz - 1;//最后一个元素的位置
	while (end > 0)
	{
		Swap(&arr[0], &arr[end]);
		end--;
		AdjustDown(arr, end, 0);
	}
	HeapDestory(&hp);
}

运行结构如图 :

这样便实现堆排序

 

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