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八大排序——归并排序

目录

1.基本思想

2.动态图

3.分解的时候我们可以使用递归的方式进行

代码解释

1. main 方法

2. mergeSort 方法

3. merge 方法

示例运行过程

初始数组

每轮排序后的数组

代码总结


合并两个有序序列

1.基本思想

归并排序就是递归得将原始数组递归对半分隔,直到不能再分(只剩下一个元素)后,开始从最小的数组向上归并排序。

  1. 将一个数组拆分为两个,从中间点拆开,通过递归操作来实现一层一层拆分。

  2. 从左右数组中选择小的元素放入到临时空间,并移动下标到下一位置。

  3. 重复步骤2直到某一下标达到尾部。

  4. 将另一序列剩下的所有元素依次放入临时空间。

  5. 将临时空间的数据依次放入原数据数组。

2.动态图

下边是动态图

3.分解的时候我们可以使用递归的方式进行

首先我们可以先定义三个变量,

数组的头部位置可以定义为 low,数组的尾部可以定义为high

因为每次分解都是要折半,所以我们可以定义数组的中间是 mid,如下图所示

我们从上图当中可以看到,我们每一次递归,都是将原来的mid当成新的high,一直到low = high的时候我们就已经可以说明我们将一个数据分离了出来。所以我们可以写以下代码来表示分。

    public static void mergeSort(int[] a, int low, int high) {
        //首先判断 low 和 high是否指向一个地方
        if(low >= high) {
            return;
        }
        int mid = (low + high)/2;
        //先递归左边
        mergeSort(a, low, mid);
        //在递归右边
        mergeSort(a, mid+1, high);

    }

首先我们可以先递归左边,直到我们讲第一个值分离出去,然后再回溯,分离他右边的那个,如下如所以:

当递归完成之后我们该开始合并了

首先我们需要先弄懂一个地方就是合并是在哪里开始的。

首先我们要知道我们第一次回溯之后,将第二个元素分离了出来,第二个元素分离完成之后,也会回溯回去,那么此一次合并就是 值 6 和 5的合并。

下边我们为了演示选择了 5,6 , 1 , 3的合并过程

首先我们需要弄清楚,我们这里所谓的分离其实是概念意义上的,在我们的数组结构上其实并没有分离,而且由于回溯的原因 5,6 , 1 , 3是其实和上边是对应的关系,如图所示

下边我们来一步一步的展示整个合并的过程,

首先我么可以定义两个指针,s1和s2,然后在定义一个新的临时数组来存储数据

我们将指针s1的范围锁定在 s1<=min ,将指针s2的范围锁定在s2<=high,我们可以比较s1和s2当前指向的值的大小,将小的一方放入到临时数组当中去,直到s1或s2一方指向为空,那么就可以将另一方全部放入到临时数组当中去。然后将临时的代码在放回数组

代码如下:

代码

public class ShellSort {public static void main(String[] args) {int a[] = {6,5,3,1,8,7,2,4};mergeSort(a, 0, a.length - 1);System.out.println("排序结果:" + Arrays.toString(a));}//分public static void mergeSort(int[] a, int low, int high) {//首先判断 low 和 high是否指向一个地方// 正常情况下就是 == if(low == high) {return;}int mid = (low + high)/2;//先递归左边mergeSort(a, low, mid);//在递归右边mergeSort(a, mid+1, high);//合并merge(a,low,mid,high);System.out.println(Arrays.toString(a));}//合并public static void merge(int[] a, int low, int mid, int high) {//定义第一个段的开始int s1 = low;//定义第二个段的开始int s2 = mid+1;//定义临时数组int[] temp = new int[high-low+1];int i = 0;//定义临时数组的下标//判断大小将数组放入到临时数组当中去while(s1<=mid && s2<=high) {if(a[s1] <= a[s2]) {temp[i++] = a[s1++];}else {temp[i++] = a[s2++];}}//判断s1当中是否有数据,如果有将其全部拷贝到临死数组当中去while (s1 <= mid) {temp[i++] = a[s1++];}//判断s1当中是否有数据,如果有将其全部拷贝到临死数组当中去while (s2 <= high) {temp[i++] = a[s2++];}//将临时数组当中的代码放回原数组for (int j = 0; j < temp.length; j++) {a[j+low] = temp[j];}}
}

代码解释

1. main 方法

public static void main(String[] args) {int a[] = {6, 5, 3, 1, 8, 7, 2, 4};mergeSort(a, 0, a.length - 1);System.out.println("排序结果:" + Arrays.toString(a));
}
  • 功能:程序的入口。

  • 逻辑

    • 定义了一个未排序的整数数组 a

    • 调用 mergeSort 方法对数组进行排序。

    • 打印排序后的数组。

2. mergeSort 方法

public static void mergeSort(int[] a, int low, int high) {
    // 首先判断 low 和 high 是否指向一个地方
    if (low == high) {
        return;
    }
    int mid = (low + high) / 2;
    // 先递归左边
    mergeSort(a, low, mid);
    // 再递归右边
    mergeSort(a, mid + 1, high);
    // 合并
    merge(a, low, mid, high);
    System.out.println(Arrays.toString(a));
}

  • 功能:实现归并排序的分治逻辑。

  • 逻辑

    1. 递归终止条件

      • 如果 low == high,说明当前子数组只有一个元素,无需排序,直接返回。

    2. 计算中间位置

      • mid = (low + high) / 2,将数组分成两个子数组。

    3. 递归排序左半部分

      • 调用 mergeSort(a, low, mid),对左半部分进行排序。

    4. 递归排序右半部分

      • 调用 mergeSort(a, mid + 1, high),对右半部分进行排序。

    5. 合并两个有序子数组

      • 调用 merge(a, low, mid, high),将两个有序子数组合并成一个有序数组。

    6. 打印每轮排序后的数组

      • 每轮排序后,打印当前数组的状态。

3. merge 方法

public static void merge(int[] a, int low, int mid, int high) {
    // 定义第一个段的开始
    int s1 = low;
    // 定义第二个段的开始
    int s2 = mid + 1;
    // 定义临时数组
    int[] temp = new int[high - low + 1];
    int i = 0; // 定义临时数组的下标
    // 判断大小将数组放入到临时数组当中去
    while (s1 <= mid && s2 <= high) {
        if (a[s1] <= a[s2]) {
            temp[i++] = a[s1++];
        } else {
            temp[i++] = a[s2++];
        }
    }
    // 判断 s1 当中是否有数据,如果有将其全部拷贝到临时数组当中去
    while (s1 <= mid) {
        temp[i++] = a[s1++];
    }
    // 判断 s2 当中是否有数据,如果有将其全部拷贝到临时数组当中去
    while (s2 <= high) {
        temp[i++] = a[s2++];
    }
    // 将临时数组当中的数据放回原数组
    for (int j = 0; j < temp.length; j++) {
        a[j + low] = temp[j];
    }
}

  • 功能:合并两个有序子数组。

  • 逻辑

    1. 初始化指针

      • s1 指向左半部分的起始位置(low)。

      • s2 指向右半部分的起始位置(mid + 1)。

    2. 定义临时数组

      • temp 用于存储合并后的有序数组。

    3. 比较并合并

      • 比较 a[s1] 和 a[s2],将较小的元素放入 temp 中。

      • 移动相应的指针(s1 或 s2)。

    4. 处理剩余元素

      • 如果左半部分还有剩余元素,将其全部拷贝到 temp 中。

      • 如果右半部分还有剩余元素,将其全部拷贝到 temp 中。

    5. 将临时数组的数据拷贝回原数组

      • 将 temp 中的数据拷贝回原数组 a 的对应位置。

示例运行过程

初始数组

[6, 5, 3, 1, 8, 7, 2, 4]

每轮排序后的数组

  1. 第1轮

    • 左半部分排序:[5, 6]

    • 右半部分排序:[1, 3]

    • 合并结果:[1, 3, 5, 6, 8, 7, 2, 4]

  2. 第2轮

    • 左半部分排序:[1, 3, 5, 6]

    • 右半部分排序:[2, 4, 7, 8]

    • 合并结果:[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

最终排序结果

[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]

代码总结

  • 算法:归并排序。

  • 时间复杂度:O(n log n),其中 n 是数组的长度。

  • 空间复杂度:O(n),需要额外的临时数组来存储合并结果。

  • 优点:稳定排序,时间复杂度较低,适合大规模数据。

  • 缺点:需要额外的空间。

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