C++实现堆排序
堆排序
什么是堆
堆是一种叫做完全二叉树的数据结构,可以分为大顶堆和小顶堆。
堆的分类
大顶堆:每个结点的值都大于或者等于他的左右结点的值
小顶堆:每个结点的值都小于或者等于他的左右结点的值
下标为 i 的父节点下标: (i - 1) / 2
下标为 i 的左孩子下标: i * 2 + 1
下标为 i 的右孩子下标: i * 2 + 2
排序思想
1、首先将待排序的数组构造成一个大根堆,此时,整个数组的最大值就是堆结构的顶端
2、将顶端的数与末尾的数交换,此时,末尾的数为最大值,剩余待排序数组个数为n - 1
3、将剩余的n - 1个数再构造成大根堆,再将顶端数与n -1位置交换,如此反复执行,便能得到有序数组
注意:升序用大根堆,降序用小根堆
因为大根堆每次都将最大的数交换到数组末尾
小顶堆每次都将最小的数交换到数组末尾
维护堆
如果二叉树中的某个结点不满足堆的性质,就要对其进行维护
以大顶堆为例:
如果发现一个结点比他的左孩子或者右孩子小,就将该节点与值最大的孩子结点进行交换
/*
维护堆
num:表示存储堆的数组
n 数组长度
i 待维护结点的下标
*/
void hepify(vector<int>& nums, int n, int i) {
int largest = i;
int lson = i * 2 + 1;
int rson = i * 2 + 2;
if (lson < n && nums[largest] < nums[lson])
largest = lson;
if (rson < n && nums[largest] < nums[rson])
largest = rson;
//有个孩子比该结点大
if (largest != i) {
swap(nums[i], nums[largest]);
//调整后,下面的结点可能依旧不满足,要递归执行
hepify(nums, n, largest);
}
}
构建堆
1、从最后一个子树开始,从后往前调整
2、每次调整,从上往下调整
3、调整为大根堆
首先将给定的一个无序队列看成一个堆结构,一个没有规则的二叉树,将序列里的值按照从上往下,从左到右依次填充到二叉树中
如何构建堆呢? 找到最后一个非叶子结点,也就是下标为arr.size() / 2 - 1的结点,比较它的左右节点中最大的一个的值,是否比他大,如果大就交换位置。
此时就构建出来一个大顶堆。
接下来进行排序
因此可以归纳出堆排序的步骤:
1、将无序数组构建成堆
2、循环删除堆顶元素,移动集合尾部,调节堆产生新的堆顶
void heap_sort(vector<int>& nums, int n) {
//建堆
//i = n / 2 - 1是最后一个非叶子结点的下标
//依次调整非叶子结点的下标,直到堆顶为止
for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
hepify(nums, n, i);
}
//排序
for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
swap(nums[i], nums[0]);
hepify(nums, i, 0);
}
}
完整代码
/*
维护堆
num:表示存储堆的数组
n 数组长度
i 待维护结点的下标
*/
void hepify(vector<int>& nums, int n, int i) {
int largest = i;
int lson = i * 2 + 1;
int rson = i * 2 + 2;
if (lson < n && nums[largest] < nums[lson])
largest = lson;
if (rson < n && nums[largest] < nums[rson])
largest = rson;
//有个孩子比该结点大
if (largest != i) {
swap(nums[i], nums[largest]);
//调整后,下面的结点可能依旧不满足,要递归执行
hepify(nums, n, largest);
}
}
void heap_sort(vector<int>& nums, int n) {
//建堆
//i = n / 2 - 1是最后一个非叶子结点的下标
//依次调整非叶子结点的下标,直到堆顶为止
for (int i = n / 2 - 1; i >= 0; i--) {
hepify(nums, n, i);
}
//排序
for (int i = n - 1; i > 0; i--) {
swap(nums[i], nums[0]);
hepify(nums, i, 0);
}
}
int main() {
vector<int> nums{ 30, 24, 5, 58, 18, 36, 12, 42, 39 };
cout << "排序前:";
for (int num : nums)
cout << num << " ";
cout << endl;
heap_sort(nums, nums.size());
cout << "堆排序后:";
for (int num : nums)
cout << num << " ";
cout << endl;
}
结果:
排序前:30 24 5 58 18 36 12 42 39
堆排序后:5 12 18 24 30 36 39 42 58