算法笔记之堆排序

一、对堆排序的相关了解

1、堆排序的执行时间是 O(nlogn) ；

2、定义：

堆heap是一棵具有下面属性的二叉树——

（1）它是一棵全然二叉树。

（2）每一个结点大于或等于它的随意一个孩子。

 

备注：全然二叉树的定义——除了最后一层没填满以及最后一层的叶子都是偏左放置的。其它层都是满的二叉树！

             

3、二叉堆有两种：最大堆和最小堆。在堆排序中我们使用的是最大堆，最小堆经常在构造优先队列时使用。                            

  4、一条路径的深度指的是这条路径的边数。一个结点的深度是指从根结点到该结点的路径的长度。                

                                  

二、对堆进行排序

（1）加入新元素

我们能够把堆存储在一个Arraylist里。树根在位置0处，它的两个孩子在位置1和2。存储规律例如以下，对于位置在i的结点，它的左孩子在2i+1处。右孩子在2i+2处，而它的父亲在位置(i-1)/2处

//添加一个元素
	public void add(E object){
		list.add(object);//先把它放在最后面
		int currentIndex = list.size()-1;
		while(currentIndex > 0){
			//假设比父亲大，则交换
			int parentIndex = (currentIndex - 1)/2;
			if (list.get(currentIndex).compareTo(list.get(parentIndex)) > 0) {
				E temp = list.get(parentIndex);
				list.set(parentIndex, list.get(currentIndex));
				list.set(currentIndex, temp);
			}else {
				break;
			}
			currentIndex = parentIndex;//一路交换上去。直到根结点为止
		}
	}
	

（2）删除并返回当前堆的最大值

返回根元素，并重建堆,重建堆的思路是将最后面的那个元素放到根元素的位置，然后与它的最大子树想比（之前推断是否有左右子树，然后再比較出左右子树哪个更大），假设比最大子树小，那么交换。依次下去，直到当前元素的索引>=list的长度

public E remove(){
		if (list.size()== 0) {
			return null;
		}else{
			
			E root = list.get(0);
			int last = list.size()-1;
			list.set(0,list.get(last));
			list.remove(last);
			
			int currentIndex = 0;
			while(currentIndex < list.size()){
				//它的左右子树索引
			    int leftChildIndex = 2*currentIndex + 1;
			    int rightChildIndex = 2*currentIndex + 2;
			    
			    //找出最大的子树
			    int maxChildIndex = leftChildIndex;
			    if (leftChildIndex >= list.size()) {
					break;
				}else if(rightChildIndex < list.size()){
					if (list.get(maxChildIndex).compareTo(list.get(rightChildIndex)) < 0) {
						maxChildIndex = rightChildIndex;
					}
				}
			    
			    //与根元素比較,根元素小则交换，否则退出循环，此时已经是堆了
			    if (list.get(currentIndex).compareTo(list.get(maxChildIndex)) < 0) {
					E temp = list.get(currentIndex);
					list.set(currentIndex, list.get(maxChildIndex));
					list.set(maxChildIndex, temp);
					//更新当前索引
					currentIndex = maxChildIndex;
				}else {
					break;
				}
			}
			
			//返回根元素。堆的最大值
			return root;
		}
	}

3、排序

/**
	 * 堆排序方法
	 * decription:
	 * @author : linjq
	 */
	  public  <E extends Comparable> void sort(E[] list) {
	    Heap<E> heap = new Heap<E>();

	    //构造堆
	    for (int i = 0; i < list.length; i++)
	      heap.add(list[i]);

	    //排序
	    for (int i = list.length - 1; i >= 0; i--)
	      list[i] = heap.remove();
	  }

4、測试该堆排序

  public static void main(String[] args) {
	    Integer[] list = {22, -43, 2, 25, 6, 55, -22, 93, 14,102};
	    HeapSort heapSort = new HeapSort();
	    heapSort.sort(list);
	    
	    for (int i = 0; i < list.length; i++)
	      System.out.print(list[i] + " ");
	  }

測试结果——

三、时间复杂度分析

如果我们如今有n个元素。用h来表示n个元素的高度，因为堆是全然二叉树，于是第一层有1个结点，第二层有两个...第h层至少有1个。最多有2^(h - 1)个结点。

即 1+2+…+2^(h -2) < n <= 1+2+…+ 2^(h-2 )+ 2^(h -1)

化简即得： 2^(h-1) - 1 < n <= 2^h - 1

即 h - 1 < log(n+1) <= h所以 log(n+1) < h<= log(n+1) +1

所以堆的高度是 O (logn)

由于remove和add方法最多情况下须要从根结点追踪到叶子结点，最多耗费的时间只是是h步，n个元素就调用n次这两个方法，因此堆排序的时间复杂度是 O(NlogN)