堆排序算法图解 VS JAVA代码实现

2021-08-1409:28:49数据结构与算法Comments1,565 views字数 1962阅读模式

预备知识

堆排序文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

堆排序是利用堆这种数据结构而设计的一种排序算法，堆排序是一种选择排序，它的最坏，最好，平均时间复杂度均为O(nlogn)，它也是不稳定排序。首先简单了解下堆结构。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

堆文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

堆是具有以下性质的完全二叉树：每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值，称为大顶堆；或者每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值，称为小顶堆。如下图：堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

同时，我们对堆中的结点按层进行编号，将这种逻辑结构映射到数组中就是下面这个样子堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

该数组从逻辑上讲就是一个堆结构，我们用简单的公式来描述一下堆的定义就是：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

大顶堆：arr[i] >= arr[2i+1] && arr[i] >= arr[2i+2]文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

小顶堆：arr[i] <= arr[2i+1] && arr[i] <= arr[2i+2]文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

ok，了解了这些定义。接下来，我们来看看堆排序的基本思想及基本步骤：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

堆排序基本思想及步骤

堆排序的基本思想是：将待排序序列构造成一个大顶堆，此时，整个序列的最大值就是堆顶的根节点。将其与末尾元素进行交换，此时末尾就为最大值。然后将剩余n-1个元素重新构造成一个堆，这样会得到n个元素的次小值。如此反复执行，便能得到一个有序序列了文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

步骤一 构造初始堆。将给定无序序列构造成一个大顶堆（一般升序采用大顶堆，降序采用小顶堆)。

a.假设给定无序序列结构如下堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

1.此时我们从最后一个非叶子结点开始（叶结点自然不用调整，第一个非叶子结点 ，也就是下面的6结点），从左至右，从下至上进行调整。堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

2.找到第二个非叶节点4，由于[4,9,8]中9元素最大，4和9交换。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

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这时，交换导致了子根[4,5,6]结构混乱，继续调整，[4,5,6]中6最大，交换4和6。堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

此时，我们就将一个无需序列构造成了一个大顶堆。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

步骤二 将堆顶元素与末尾元素进行交换，使末尾元素最大。然后继续调整堆，再将堆顶元素与末尾元素交换，得到第二大元素。如此反复进行交换、重建、交换。

a.将堆顶元素9和末尾元素4进行交换文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

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b.重新调整结构，使其继续满足堆定义堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

c.再将堆顶元素8与末尾元素5进行交换，得到第二大元素8.堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

后续过程，继续进行调整，交换，如此反复进行，最终使得整个序列有序堆排序算法图解 VS JAVA代码实现文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

再简单总结下堆排序的基本思路：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

a.将无需序列构建成一个堆，根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

b.将堆顶元素与末尾元素交换，将最大元素"沉"到数组末端;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

c.重新调整结构，使其满足堆定义，然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素，反复执行调整+交换步骤，直到整个序列有序。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

代码实现

package sortdemo;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

import java.util.Arrays;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

/**文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* Created by chengxiao on 2016/12/17.文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* 堆排序demo文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

*/文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

public class HeapSort {文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

public static void main(String []args){文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

int []arr = {9,8,7,6,5,4,3,2,1};文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

sort(arr);文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

((arr));文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

public static void sort(int []arr){文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

//1.构建大顶堆文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

for(int i=){文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

//从第一个非叶子结点从下至上，从右至左调整结构文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

adjustHeap(arr,i,);文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

//2.调整堆结构+交换堆顶元素与末尾元素文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

for(int j=-1;j>0;j--){文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

swap(arr,0,j);//将堆顶元素与末尾元素进行交换文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

adjustHeap(arr,0,j);//重新对堆进行调整文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

/**文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* 调整大顶堆（仅是调整过程，建立在大顶堆已构建的基础上）文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* @param arr文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* @param i文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* @param length文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

*/文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

public static void adjustHeap(int []arr,int i,int length){文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

int temp = arr[i];//先取出当前元素i文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

for(int k=i*2+1;k文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

if(k+1文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

k++;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

if(arr[k] >temp){//如果子节点大于父节点，将子节点值赋给父节点（不用进行交换）文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

arr[i] = arr[k];文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

i = k;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}else{文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

break;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

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}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

arr[i] = temp;//将temp值放到最终的位置文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

/**文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* 交换元素文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* @param arr文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* @param a文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

* @param b文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

*/文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

public static void swap(int []arr,int a ,int b){文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

int temp=arr[a];文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

arr[a] = arr[b];文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

arr[b] = temp;文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

}文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

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最后

堆排序是一种选择排序，整体主要由构建初始堆+交换堆顶元素和末尾元素并重建堆两部分组成。其中构建初始堆经推导复杂度为O(n)，在交换并重建堆的过程中，需交换n-1次，而重建堆的过程中，根据完全二叉树的性质，[log2(n-1),log2(n-2)...1]逐步递减，近似为nlogn。所以堆排序时间复杂度一般认为就是O(nlogn)级。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/suanfa/21838.html

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