Java排序算法之堆排序

堆的概念：

堆是一种完全二叉树，非叶子结点 i 要满足key[i]>key[i+1]&&key[i]>key[i+2](最大堆) 或者 key[i]<key[i+1]&&key[i]<key[i+2](最小堆)。

堆排序基本思想：（以最大堆为例）

利用完全二叉树性质将一个无序序列构建最大堆，使得每次从无序中选择最大记录变得简单。

1)将初始待排序无序序列(R1,R2....Rn)构建成大顶堆，此堆为初始的无序序列；

2)将堆顶元素R[1]与最后一个元素R[n]交换，此时得到新的无序区(R1,R2,......Rn-1)和新的有序区(Rn),且满足R[1,2...n-1]<=R[n];

3)由于交换后新的堆顶R[1]可能违反堆的性质，因此需要对当前无序区(R1,R2,......Rn-1)调整为新堆，然后再次将R[1]与无序区最后一个元素交换，得到新的无序区(R1,R2....Rn-2)和新的有序区(Rn-1,Rn)。不断重复此过程直到有序区的元素个数为n-1，则整个排序过程完成。

举例说明：

假设初始序列为a[]={16,7,3,20,17,8}，根据该数组构建一个初始完全二叉树

然后从最后一个非叶子节点开始构建初始堆，根据最大堆的性质来构建，过程如下：

调整后16节点不满足性质，从新调整

这样就得到了初始堆。

即每次调整都是从父节点、左孩子节点、右孩子节点三者中选择最大者跟父节点进行交换(交换之后可能造成被交换的孩子节点不满足堆的性质，因此每次交换之后要重新对被交换的孩子节点进行调整)。有了初始堆之后就可以进行排序了。

 

交换根节点和叶子节点

交换后，不满足最大堆性质，继续根据上面步骤重新构造最大堆。

 

Java代码实现：

 

package paixu;

import java.util.Arrays;

public class DuiPaiXu {
    public static void main(String[] args) {
        int[] a={16,7,3,20,17,8};
        int arrayLength=a.length;
        //循环建堆
        for(int i=0;i<arrayLength-1;i++){
            //建堆
            buildMaxHeap(a,arrayLength-1-i);
            //交换堆顶和最后一个元素
            swap(a,0,arrayLength-1-i);
            System.out.println(Arrays.toString(a));
        }
    }
    //对data数组从0到lastIndex建大顶堆
    public static void buildMaxHeap(int[] data, int lastIndex){

        for(int i=(lastIndex-1)/2;i>=0;i--){ //从最后一个非叶子结点开始建堆
            int k=i;  //k保存正在判断的节点
            while(k*2+1<=lastIndex){ //如果当前k节点的子节点存在
                int biggerIndex=2*k+1; //k节点的左子节点的索引
                if(biggerIndex<lastIndex){ //如果biggerIndex小于lastIndex
                    if(data[biggerIndex]<data[biggerIndex+1]){   //若果右子节点的值较大
                        biggerIndex++;   //biggerIndex总是记录较大子节点的索引
                    }
                }
                //如果k节点的值小于其较大的子节点的值
                if(data[k]<data[biggerIndex]){
                    //交换他们
                    swap(data,k,biggerIndex);
                    //将biggerIndex赋予k，开始while循环的下一次循环，重新保证k节点的值大于其左右子节点的值
                    k=biggerIndex;
                }else{
                    break;
                }
            }
        }
    }
    //交换
    private static void swap(int[] data, int i, int j) {
        int tmp=data[i];
        data[i]=data[j];
        data[j]=tmp;
    }
}

从上述过程可知，堆排序其实也是一种选择排序，是一种树形选择排序。只不过直接选择排序中，为了从R[1...n]中选择最大记录，需比较n-1次，然后从R[1...n-2]中选择最大记录需比较n-2次。

事实上这n-2次比较中有很多已经在前面的n-1次比较中已经做过，而树形选择排序恰好利用树形的特点保存了部分前面的比较结果，因此可以减少比较次数。对于n个关键字序列，最坏情况下每个

节点需比较log2(n)次，因此其最坏情况下时间复杂度为nlogn。堆排序为不稳定排序，不适合记录较少的排序。

 

算法性能分析：

时间复杂度：平均时间复杂度为O(nlogn)。

空间复杂度：O(1)。

稳定性：堆排序的过程是从第n/2开始和其子节点共3个值选择最大(大顶堆)或者最小(小顶堆),这3个元素之间的选择当然不会破坏稳定性。但当为n /2-1, n/2-2, ...1这些个父节点选择元素时，

就会破坏稳定性。有可能第n/2个父节点交换把后面一个元素交换过去了，而第n/2-1个父节点把后面一个相同的元素没 有交换，那么这2个相同的元素之间的稳定性就被破坏了。

所以，堆排序不是稳定的排序算法。