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java 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之堆排序(HeapSort)詳解及實(shí)例

 更新時(shí)間:2017年03月03日 16:54:39   投稿:lqh  
這篇文章主要介紹了java 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之堆排序(HeapSort)詳解及實(shí)例的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

1 堆排序

堆是一種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),分為大根堆和小根堆,是完全二叉樹(shù), 底層如果用數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的話,假設(shè)某個(gè)元素為序號(hào)為i(Java數(shù)組從0開(kāi)始,i為0到n-1),如果它有左子樹(shù),那么左子樹(shù)的位置是2i+1,如果有右子樹(shù),右子樹(shù)的位置是2i+2,如果有父節(jié)點(diǎn),父節(jié)點(diǎn)的位置是(n-1)/2取整。最大堆的任意子樹(shù)根節(jié)點(diǎn)不小于任意子結(jié)點(diǎn),最小堆的根節(jié)點(diǎn)不大于任意子結(jié)點(diǎn)。

所謂堆排序就是利用堆這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)來(lái)對(duì)數(shù)組進(jìn)行排序,在數(shù)組的非降序排序中,需要使用的就是大根堆,因?yàn)楦鶕?jù)大根堆的性質(zhì)可知,最大的值一定在堆頂。堆排序一種不穩(wěn)定的排序算法,其時(shí)間復(fù)雜度為O(nlogn)。

2 算法思想

(1)構(gòu)建最大堆;
(2)選擇頂,并與第0位置元素交換;
(3)由于步驟(2)的的交換可能破環(huán)了最大堆的性質(zhì),即第0位置的元素不再是最大元素,則需要調(diào)用maxHeap調(diào)整堆(沉降法),根據(jù)實(shí)際情況重復(fù)步驟(2)。

堆排序中最重要的算法就是maxHeap,該函數(shù)假設(shè)一個(gè)元素的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)都滿足最大堆的性質(zhì)(即左、右子樹(shù)都是最大堆),只有根元素可能違反最大堆性質(zhì),那么把該元素以及左右子節(jié)點(diǎn)的最大元素找出來(lái),如果該元素已經(jīng)最大,那么整棵樹(shù)都是最大堆,程序退出,否則交換根元素與最大元素的位置,繼續(xù)調(diào)用maxHeap構(gòu)建最大元素所在的子樹(shù)。

3 Java代碼

public class HeapSort {
  public static void main(String[] args) {
    int[] arr = {3, 2, 1, 0, -1, -2, -3};
    System.out.println("Before heap:");
    printArray(arr);
    heapSort(arr);
    System.out.println("After heap sort:");
    printArray(arr);
  }

  public static void heapSort(int[] arr) {
    if (arr == null || arr.length <= 1) {
      return;
    }
    buildMaxHeap(arr); //構(gòu)建最大堆
    for (int i = arr.length - 1; i >= 1; i--) {
      exchangeElements(arr, 0, i); //交換堆頂和第0位置元素
      maxHeap(arr, i, 0); //因?yàn)榻粨Q元素后,有可能違反堆的性質(zhì),所以沉降元素
    }
  }

  private static void buildMaxHeap(int[] arr) { //構(gòu)建最大堆
    if (arr == null || arr.length <= 1) {
      return;
    }
    int half = arr.length / 2;
    for (int i = half; i >= 0; i--) {
      maxHeap(arr, arr.length, i);
    }
  }

  private static void maxHeap(int[] arr, int heapSize, int index) {
    int left = index * 2 + 1; //左子樹(shù)上的元素
    int right = index * 2 + 2; //右子樹(shù)上的元素
    int largest = index; //初始化最大元素
    if (left < heapSize && arr[left] > arr[index]) {
      largest = left;
    }
    if (right < heapSize && arr[right] > arr[largest]) {
      largest = right;
    }
    if (index != largest) { //判斷根元素是否為最大元素
      exchangeElements(arr, index, largest);
      maxHeap(arr, heapSize, largest);
    }
  }

  public static void printArray(int[] arr) { //打印數(shù)組
    System.out.print("{");
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
      System.out.print(arr[i]);
      if (i < arr.length - 1) {
        System.out.print(", ");
      }
    }
    System.out.println("}");
  }

  public static void exchangeElements(int[] arr, int index1, int index2) { //交換元素
    int temp = arr[index1];
    arr[index1] = arr[index2];
    arr[index2] = temp;
  }
}



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