归并排序
定义
归并排序(merge sort)是高效的基于比较的稳定排序算法。
性质
归并排序基于分治思想将数组分段排序后合并,时间复杂度在最优、最坏与平均情况下均为
归并排序可以只使用
过程
合并
归并排序最核心的部分是合并(merge)过程:将两个有序的数组 a[i]
和 b[j]
合并为一个有序数组 c[k]
。
从左往右枚举 a[i]
和 b[j]
,找出最小的值并放入数组 c[k]
;重复上述过程直到 a[i]
和 b[j]
有一个为空时,将另一个数组剩下的元素放入 c[k]
。
为保证排序的稳定性,前段首元素小于或等于后段首元素时(a[i] <= b[j]
)而非小于时(a[i] < b[j]
)就要作为最小值放入 c[k]
。
实现
=== "C/C++"
=== "数组实现"
```cpp
void merge(const int *a, size_t aLen, const int *b, size_t bLen, int *c) {
size_t i = 0, j = 0, k = 0;
while (i < aLen && j < bLen) {
if (b[j] < a[i]) { // <!> 先判断 b[j] < a[i],保证稳定性
c[k] = b[j];
++j;
} else {
c[k] = a[i];
++i;
}
++k;
}
// 此时一个数组已空,另一个数组非空,将非空的数组并入 c 中
for (; i < aLen; ++i, ++k) c[k] = a[i];
for (; j < bLen; ++j, ++k) c[k] = b[j];
}
```
=== "指针实现"
```cpp
void merge(const int *aBegin, const int *aEnd, const int *bBegin, const int *bEnd, int *c) {
while (aBegin != aEnd && bBegin != bEnd) {
if (*bBegin < *aBegin) {
*c = *bBegin;
++bBegin;
} else {
*c = *aBegin;
++aBegin;
}
++c;
}
for (; aBegin != aEnd; ++aBegin, ++c) *c = *aBegin;
for (; bBegin != bEnd; ++bBegin, ++c) *c = *bBegin;
}
```
也可使用 `<algorithm>` 库的 `merge` 函数,用法与上述指针式写法的相同。
=== "Python"
```python
def merge(a, b):
i, j = 0, 0
c = []
while(i < len(a) and j < len(b)):
# <!> 先判断 b[j] < a[i],保证稳定性
if(b[j] < a[i]):
c.append(b[j])
j += 1
else:
c.append(a[i])
i += 1
# 此时一个数组已空,另一个数组非空,将非空的数组并入 c 中
c.extend(a[i:])
c.extend(b[j:])
return c
```
分治法实现归并排序
-
当数组长度为
时,该数组就已经是有序的,不用再分解。 -
当数组长度大于
时,该数组很可能不是有序的。此时将该数组分为两段,再分别检查两个数组是否有序(用第 1 条)。如果有序,则将它们合并为一个有序数组;否则对不有序的数组重复第 2 条,再合并。
用数学归纳法可以证明该流程可以将一个数组转变为有序数组。
为保证排序的复杂度,通常将数组分为尽量等长的两段(
实现
注意下面的代码所表示的区间分别是
=== "C/C++"
```cpp
void merge_sort(int *a, int l, int r) {
if (r - l <= 1) return;
// 分解
int mid = l + ((r - l) >> 1);
merge_sort(a, l, mid), merge_sort(a, mid, r);
// 合并
int tmp[1024] = {}; // 请结合实际情况设置 tmp 数组的长度(与 a 相同),或使用
// vector;先将合并的结果放在 tmp 里,再返回到数组 a
merge(a + l, a + mid, a + mid, a + r, tmp + l); // pointer-style merge
for (int i = l; i < r; ++i) a[i] = tmp[i];
}
```
=== "Python"
```python
def merge_sort(a, ll, rr):
if rr - ll <= 1:
return
# 分解
mid = (rr + ll) // 2
merge_sort(a, ll, mid)
merge_sort(a, mid, rr)
# 合并
a[ll:rr] = merge(a[ll:mid], a[mid:rr])
```
倍增法实现归并排序
已知当数组长度为
将数组全部切成长度为
从左往右依次合并两个长度为
从左往右依次合并两个长度
从左往右依次合并两个长度
……
重复上述过程直至数组只剩一个有序段,该段就是排好序的原数组。
数组的长度很可能不是
实现
=== "C/C++"
```cpp
void merge_sort(int *a, size_t n) {
int tmp[1024] = {}; // 请结合实际情况设置 tmp 数组的长度(与 a 相同),或使用
// vector;先将合并的结果放在 tmp 里,再返回到数组 a
for (size_t seg = 1; seg < n; seg <<= 1) {
for (size_t left1 = 0; left1 < n - seg;
left1 += seg + seg) { // n - seg: 如果最后只有一个段就不用合并
size_t right1 = left1 + seg;
size_t left2 = right1;
size_t right2 = std::min(left2 + seg, n); // <!> 注意最后一个段的边界
merge(a + left1, a + right1, a + left2, a + right2,
tmp + left1); // pointer-style merge
for (size_t i = left1; i < right2; ++i) a[i] = tmp[i];
}
}
}
```
=== "Python"
```python
def merge_sort(a):
seg = 1
while seg < len(a):
for l1 in range(0, len(a) - seg, seg + seg):
r1 = l1 + seg
l2 = r1
r2 = l2 + seg
a[l1:r2] = merge(a[l1:r1], a[l2:r2])
seg <<= 1
```
逆序对
逆序对是
排序后的数组无逆序对,归并排序的合并操作中,每次后段首元素被作为当前最小值取出时,前段剩余元素个数之和即是合并操作减少的逆序对数量;故归并排序计算逆序对数量的额外时间复杂度为 merge
过程的 if(b[j] < a[i])
部分加上 cnt += aLen - i
或 cnt += aEnd - aBegin
即可,对于 Python 代码将 merge
过程的 if(b[j] < a[i]):
部分加上 cnt += len(a) - i
即可。
此外,逆序对计数即是将元素依次加入数组时统计当前大于其的元素数量,将数组离散化后即是区间求和问题,使用树状数组或线段树解决的时间复杂度为
外部链接
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