排序算法复习(Java实现)(二): 归并排序,堆排序,桶式排序,基数排序

转自:http://www.blogjava.net/javacap/archive/2007/12/14/167618.html

 

六 归并排序
算法思想是每次把待排序列分成两部分,分别对这两部分递归地用归并排序,完成后把这两个子部分合并成一个
序列。
归并排序借助一个全局性临时数组来方便对子序列的归并,该算法核心在于归并。

<!—->
package
 algorithms;


import
 java.lang.reflect.Array;


/**

 * 

@author
 yovn
 *
 

*/


public
 
class
 MergeSorter
<

extends
 Comparable
<
E
>>
 
extends
 Sorter
<
E
>
  {

    
/*
 (non-Javadoc)
     * @see algorithms.Sorter#sort(E[], int, int)
     

*/

    @SuppressWarnings(


unchecked

)
    @Override
    

public
 
void
 sort(E[] array, 
int
 from, 
int
 len) {
        

if
(len
<=
1
)
return
;
        E[] temporary

=
(E[])Array.newInstance(array[
0
].getClass(),len);
        merge_sort(array,from,from

+
len

1
,temporary);

    }

    
private
 
final
 
void
 merge_sort(E[] array, 
int
 from, 
int
 to, E[] temporary) {
        

if
(to
<=
from)
        {
            

return
;
        }
        

int
 middle
=
(from
+
to)
/
2
;
        merge_sort(array,from,middle,temporary);
        merge_sort(array,middle

+
1
,to,temporary);
        merge(array,from,to,middle,temporary);
    }

    
private
 
final
 
void
 merge(E[] array, 
int
 from, 
int
 to, 
int
 middle, E[] temporary) {
        

int
 k
=
0
,leftIndex
=
0
,rightIndex
=
to

from;
        System.arraycopy(array, from, temporary, 

0
, middle

from
+
1
);
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
to

middle;i
++
)
        {
            temporary[to


from

i]
=
array[middle
+
i
+
1
];
        }
        

while
(k
<
to

from
+
1
)
        {
            

if
(temporary[leftIndex].compareTo(temporary[rightIndex])
<
0
)
            {
                array[k

+
from]
=
temporary[leftIndex
++
];
                
            }
            

else

            {
                array[k

+
from]
=
temporary[rightIndex

];
            }
            k

++
;
        }
        
    }

}

七 堆排序
堆是一种完全二叉树,一般使用数组来实现。
堆主要有两种核心操作,
1)从指定节点向上调整(shiftUp)
2)从指定节点向下调整(shiftDown)
建堆,以及删除堆定节点使用shiftDwon,而在插入节点时一般结合两种操作一起使用。
堆排序借助最大值堆来实现,第i次从堆顶移除最大值放到数组的倒数第i个位置,然后shiftDown到倒数第i+1个位置,一共执行N此调整,即完成排序。
显然,堆排序也是一种选择性的排序,每次选择第i大的元素。

<!—->
package
 algorithms;


/**

 * 

@author
 yovn
 *
 

*/


public
 
class
 HeapSorter
<

extends
 Comparable
<
E
>>
 
extends
 Sorter
<
E
>
  {

    
/*
 (non-Javadoc)
     * @see algorithms.Sorter#sort(E[], int, int)
     

*/

    @Override
    

public
 
void
 sort(E[] array, 
int
 from, 
int
 len) {
        build_heap(array,from,len);

        
for
(
int
 i
=
0
;i
<
len;i
++
)
        {
            

//
swap max value to the (len-i)-th position


            swap(array,from,from
+
len

1

i);
            shift_down(array,from,len


1

i,
0
);
//
always shiftDown from 0


        }
    }

    
private
final
void
 build_heap(E[] array, 
int
 from, 
int
 len) {
        

int
 pos
=
(len

1
)
/
2
;
//
we start from (len-1)/2, because branch’s node +1=leaf’s node, and all leaf node is already a heap


        
for
(
int
 i
=
pos;i
>=
0
;i

)
        {
            shift_down(array,from,len,i);
        }
        
    }
    
    

private
 
final
 
void
 shift_down(E[] array,
int
 from, 
int
 len, 
int
 pos)
    {
        
        E tmp

=
array[from
+
pos];
        

int
 index
=
pos
*
2
+
1
;
//
use left child


        
while
(index
<
len)
//
until no child


        {
            

if
(index
+
1
<
len
&&
array[from
+
index].compareTo(array[from
+
index
+
1
])
<
0
)
//
right child is bigger


            {
                index

+=
1
;
//
switch to right child


            }
            

if
(tmp.compareTo(array[from
+
index])
<
0
)
            {
                array[from

+
pos]
=
array[from
+
index];
                pos

=
index;
                index

=
pos
*
2
+
1
;
                
            }
            

else

            {
                

break
;
            }
            
        }
        array[from

+
pos]
=
tmp;
            
    }

    
}

八 桶式排序
桶式排序不再是基于比较的了,它和基数排序同属于分配类的排序,这类排序的特点是事先要知道待排序列的一些特征。
桶式排序事先要知道待排序列在一个范围内,而且这个范围应该不是很大的。
比如知道待排序列在[0,M)内,那么可以分配M个桶,第I个桶记录I的出现情况,最后根据每个桶收到的位置信息把数据输出成有序的形式。
这里我们用两个临时性数组,一个用于记录位置信息,一个用于方便输出数据成有序方式,另外我们假设数据落在0到MAX,如果所给数据不是从0开始,你可以把每个数减去最小的数。

<!—->
package
 algorithms;


/**

 * 

@author
 yovn
 *
 

*/


public
 
class
 BucketSorter {

    
    
    
public
 
void
 sort(
int
[] keys,
int
 from,
int
 len,
int
 max)
    {
        

int
[] temp
=
new
 
int
[len];
        

int
[] count
=
new
 
int
[max];
        
        
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
len;i
++
)
        {
            count[keys[from

+
i]]
++
;
        }
        

//
calculate position info


        
for
(
int
 i
=
1
;i
<
max;i
++
)
        {
            count[i]

=
count[i]
+
count[i

1
];
//
this means how many number which is less or equals than i,thus it is also position + 1 


        }
        
        System.arraycopy(keys, from, temp, 

0
, len);
        

for
(
int
 k
=
len

1
;k
>=
0
;k

)
//from the ending to beginning can keep the stability

        {
            keys[


count[temp[k]]]
=
temp[k];
//
 position +1 =count


        }
    }
    

/**

     * 

@param
 args
     

*/

    

public
 
static
 
void
 main(String[] args) {

        
int
[] a
=
{
1
,
4
,
8
,
3
,
2
,
9
,
5
,
0
,
7
,
6
,
9
,
10
,
9
,
13
,
14
,
15
,
11
,
12
,
17
,
16
};
        BucketSorter sorter

=
new
 BucketSorter();
        sorter.sort(a,

0
,a.length,
20
);
//
actually is 18, but 20 will also work


        
        
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
a.length;i
++
)
        {
            System.out.print(a[i]

+

,

);
        }

    }

}

九 基数排序
基数排序可以说是扩展了的桶式排序,比如当待排序列在一个很大的范围内,比如0到999999内,那么用桶式排序是很浪费空间的。而基数排序把每个排序码拆成由d个排序码,比如任何一个6位数(不满六位前面补0)拆成6个排序码,分别是个位的,十位的,百位的。。。。
排序时,分6次完成,每次按第i个排序码来排。
一般有两种方式:
1) 高位优先(MSD): 从高位到低位依次对序列排序
2)低位优先(LSD): 从低位到高位依次对序列排序
计算机一般采用低位优先法(人类一般使用高位优先),但是采用低位优先时要确保排序算法的稳定性。
基数排序借助桶式排序,每次按第N位排序时,采用桶式排序。对于如何安排每次落入同一个桶中的数据有两种安排方法:
1)顺序存储:每次使用桶式排序,放入r个桶中,,相同时增加计数。
2)链式存储:每个桶通过一个静态队列来跟踪。

<!—->
package
 algorithms;


import
 java.util.Arrays;


/**

 * 

@author
 yovn
 *
 

*/


public
 
class
 RadixSorter {
    
    

public
 
static
 
boolean
 USE_LINK
=
true
;
    
    

/**

     * 
     * 

@param
 keys
     * 

@param
 from
     * 

@param
 len
     * 

@param
 radix  key’s radix
     * 

@param
 d      how many sub keys should one key divide to
     

*/

    

public
 
void
 sort(
int
[] keys,
int
 from ,
int
 len,
int
 radix, 
int
 d)
    {
        

if
(USE_LINK)
        {
            link_radix_sort(keys,from,len,radix,d);
        }
        

else

        {
            array_radix_sort(keys,from,len,radix,d);
        }
        
    }
    
    
    

private
 
final
 
void
 array_radix_sort(
int
[] keys, 
int
 from, 
int
 len, 
int
 radix,
            

int
 d) 
    {
        

int
[] temporary
=
new
 
int
[len];
        

int
[] count
=
new
 
int
[radix];
        

int
 R
=
1
;
        
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
d;i
++
)
        {
            System.arraycopy(keys, from, temporary, 

0
, len);
            Arrays.fill(count, 

0
);
            

for
(
int
 k
=
0
;k
<
len;k
++
)
            {
                

int
 subkey
=
(temporary[k]
/
R)
%
radix;
                count[subkey]

++
;
            }
            

for
(
int
 j
=
1
;j
<
radix;j
++
)
            {
                count[j]

=
count[j]
+
count[j

1
];
            }
            

for
(
int
 m
=
len

1
;m
>=
0
;m

)
            {
                

int
 subkey
=
(temporary[m]
/
R)
%
radix;
                


count[subkey];
                keys[from

+
count[subkey]]
=
temporary[m];
            }
            R

*=
radix;
        }
           
    }

    
private
 
static
 
class
 LinkQueue
    {
        

int
 head
=-
1
;
        

int
 tail
=-
1
;
    }
    

private
 
final
 
void
 link_radix_sort(
int
[] keys, 
int
 from, 
int
 len, 
int
 radix, 
int
 d) {
        
        

int
[] nexts
=
new
 
int
[len];
        
        LinkQueue[] queues

=
new
 LinkQueue[radix];
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
radix;i
++
)
        {
            queues[i]

=
new
 LinkQueue();
        }
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
len

1
;i
++
)
        {
            nexts[i]

=
i
+
1
;
        }
        nexts[len


1
]
=-
1
;
        
        

int
 first
=
0
;
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
d;i
++
)
        {
            link_radix_sort_distribute(keys,from,len,radix,i,nexts,queues,first);
            first

=
link_radix_sort_collect(keys,from,len,radix,i,nexts,queues);
        }
        

int
[] tmps
=
new
 
int
[len];
        

int
 k
=
0
;
        

while
(first
!=-
1
)
        {
        
            tmps[k

++
]
=
keys[from
+
first];
            first

=
nexts[first];
        }
        System.arraycopy(tmps, 

0
, keys, from, len);
        
        
    }
    

private
 
final
 
void
 link_radix_sort_distribute(
int
[] keys, 
int
 from, 
int
 len,
            

int
 radix, 
int
 d, 
int
[] nexts, LinkQueue[] queues,
int
 first) {
        
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
radix;i
++
)queues[i].head
=
queues[i].tail
=-
1
;
        

while
(first
!=-
1
)
        {
            

int
 val
=
keys[from
+
first];
            

for
(
int
 j
=
0
;j
<
d;j
++
)val
/=
radix;
            val

=
val
%
radix;
            

if
(queues[val].head
==-
1
)
            {
                queues[val].head

=
first;
            }
            

else
 
            {
                nexts[queues[val].tail]

=
first;
                
            }
            queues[val].tail

=
first;
            first

=
nexts[first];
        }
        
    }
    

private
 
int
 link_radix_sort_collect(
int
[] keys, 
int
 from, 
int
 len,
            

int
 radix, 
int
 d, 
int
[] nexts, LinkQueue[] queues) {
        

int
 first
=
0
;
        

int
 last
=
0
;
        

int
 fromQueue
=
0
;
        

for
(;(fromQueue
<
radix

1
)
&&
(queues[fromQueue].head
==-
1
);fromQueue
++
);
        first

=
queues[fromQueue].head;
        last

=
queues[fromQueue].tail;
        
        

while
(fromQueue
<
radix

1
&&
queues[fromQueue].head
!=-
1
)
        {
            fromQueue

+=
1
;
            

for
(;(fromQueue
<
radix

1
)
&&
(queues[fromQueue].head
==-
1
);fromQueue
++
);
            
            nexts[last]

=
queues[fromQueue].head;
            last

=
queues[fromQueue].tail;
            
        }
        

if
(last
!=-
1
)nexts[last]
=-
1
;
        

return
 first;
    }
    
    

/**

     * 

@param
 args
     

*/

    

public
 
static
 
void
 main(String[] args) {
        

int
[] a
=
{
1
,
4
,
8
,
3
,
2
,
9
,
5
,
0
,
7
,
6
,
9
,
10
,
9
,
135
,
14
,
15
,
11
,
222222222
,
1111111111
,
12
,
17
,
45
,
16
};
        USE_LINK

=
true
;
        RadixSorter sorter

=
new
 RadixSorter();
        sorter.sort(a,

0
,a.length,
10
,
10
);
        

for
(
int
 i
=
0
;i
<
a.length;i
++
)
        {
            System.out.print(a[i]

+

,

);
        }

    }

}

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