【算法与数据结构】归并排序的代码实现(详细图解)以及master公式的讲解

慈云数据 2024-03-12 技术支持 91 0

目录

1、归并排序

 1.1、算法描述

 1.2、图解说明

2、代码实现 

3、master公式

3.1、公式以及结论

3.2、适用于某些特殊的递归

3.3、计算归并排序的时间复杂度


1、归并排序

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法。该算法是采用递归或者说是分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并,得到完全有序的序列;即先使每个子序列有序,再使子序列段间有序。

若将两个有序表合并成一个有序表,称为二路归并。

 1.1、算法描述

  • 把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列;
  • 对这两个子序列分别采用归并排序;
  • 将两个排序好的子序列合并成一个最终的排序序列。

    而将两个的有序数列合并成一个有序数列,我们称之为"归并",这就是归并排序名字的由来。

     1.2、图解说明

    一句话简单说:对L到R范围排序,可以先求出L到R的中点M。先让左侧数据排好序,然后再让右侧数据排好序,此时再将两个有序子序列整合成一个新的有序序列。

     例如:

    对一个数组[8,3,6,4,2,1,5,7]进行归并排序。

    第一步:把长度为n的输入序列分成两个长度为n/2的子序列,新的子序列再分别分成两个长度为自身一半也就是n/4的子序列,以此类推。当分到单个子序列只剩下一个数字时,一个数字就是天然了有序,即此时左侧和右侧都排好序了。

    第二步:将两个排序好的子序列合并成一个新的排序序列。首先在每个子序列中都有一个指针指向子序列的第一个元素,两个指针的元素两两比较,较小的元素先放入新的子序列中,然后指针挪动继续比较,直至全部放入新的子序列当中,即完成一次子序列合并。慢慢合并最终使所有元素都成有序,即完成归并排序。

     这个思路过程是非常精髓的,理解了这个思路之后,就可以试着用代码实现了。

    2、代码实现 

    要使用归并,首先需要知道数组arr以及数组最左L下标和最右R下标,因此需要求出并带入MergeSort当中。

    int main()
    {
    	int arr[10] = { 8,3,6,4,2,1,5,7 };
    	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    	MergeSort(arr, 0, sz - 1);
    	int i = 0;
    	for ( i = 0; i  
     
     
     

    接下来看看MergeSort的实现。

    1. 首先是判断L是否等于R,如果L和R相等时就相当于是单个子序列中只存在了一个元素,而此时该子序列就为有序,因此不用进行操作直接返回即可,即if(L == R) return;
    2. 如果L不等于R时则认为该子序列中仍然可拆分,便求出mid中间值,并分别进行两次递归让两块递归范围有序,递归范围是L到mid、mid+1到R。
    3. 最后当递归结束时则代表L到mid、mid+1到R序列已有序,整体还无序,此时需要使用ExternalSort外部排序将这两个子序列整合成一个新的有序序列。
    void MergeSort(int* arr, int L, int R)
    {
    	if (L == R)  //子序列只有一个数,默认为有序
    	{
    		return;
    	}
    	int mid = L + (R - L) / 2;
    	MergeSort(arr, L, mid);
    	MergeSort(arr, mid + 1, R);
    	ExternalSort(arr, L, mid, R);
    }
    

    ExternalSort的作用就是让arr中的L到M、M+1到R合并成一个新的有序序列,并将判断后的结果序列先存入到help指针指向的区域,等待完成所有合并,再将help整个区域的数据拷贝到arr对应的位置。

    而存入help的规则是:

    1、如果p1和p2都没有越界进行while循环:

    p1和p2比较,如果p1大于p2,则将p2所指向的元素放入help中,然后将p2右移指向下一个,继续下一轮比较。

    p1和p2比较,如果p1小于等于p2,则将p1所指向的元素放入help中,然后将p1右移指向下一个,继续下一轮比较。

    2、如果有一方越界了,则退出循环,并判断p1和p2中哪个还有剩余的元素未排入help中,如果有则直接排入到help中。

    void ExternalSort(int* arr, int L, int M, int R)
    {
    	int* help = (int*)malloc(sizeof(int) * (R - L + 1)); //辅助空间,用于存放排序后的数据,空间大小为R-L+1。
    	if (help == NULL)
    	{
    		perror("ExternalSort->malloc");
    		return;
    	}
    	int helpSz = R - L + 1;
    	int i = 0;
    	int p1 = L;
    	int p2 = M + 1;
    	while (p1 
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