排序（7）：归并排序

2018年1月3日16:47:04 8 12,612 °C
摘要

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法，该算法是采用分治法（Divide and Conquer）的一个非常典型的应用。

排序（7）：归并排序

一、前言

归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法，该算法是采用分治法（Divide and Conquer）的一个非常典型的应用。

二、算法思想

该算法采用经典的分治（divide-and-conquer）策略（分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解，而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案"修补"在一起，即分而治之)。

动态效果示意图：

排序（7）：归并排序

分而治之：

1、分阶段

排序（7）：归并排序

可以看到这种结构很像一棵完全二叉树，本文的归并排序我们采用递归去实现（也可采用迭代的方式去实现）。分阶段可以理解为就是递归拆分子序列的过程，递归深度为logn。

2、治阶段

再来看看治阶段，我们需要将两个已经有序的子序列合并成一个有序序列，比如上图中的最后一次合并，要将[4,5,7,8]和[1,2,3,6]两个已经有序的子序列，合并为最终序列[1,2,3,4,5,6,7,8]，来看下实现步骤。

排序（7）：归并排序

排序（7）：归并排序

3、代码

C++：

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#include <iostream>
#include <vector>
 
using namespace std;
 
void Merge(vector<int> &input, int left, int mid, int right, vector<int> temp){
    int i = left;                // i是第一段序列的下标
    int j = mid + 1;            // j是第二段序列的下标
    int k = 0;                    // k是临时存放合并序列的下标
    
    // 扫描第一段和第二段序列，直到有一个扫描结束
    while (i <= mid && j <= right){
        // 判断第一段和第二段取出的数哪个更小，将其存入合并序列，并继续向下扫描
        if (input[i] <= input[j]){
            temp[k++] = input[i++];
        }
        else{
            temp[k++] = input[j++];
        }
    }
    // 若第一段序列还没扫描完，将其全部复制到合并序列
    while (i <= mid){
        temp[k++] = input[i++];
    }
 
    // 若第二段序列还没扫描完，将其全部复制到合并序列
    while (j <= right){
        temp[k++] = input[j++];
    }
 
    k = 0;
    // 将合并序列复制到原始序列中
    while (left <= right){
        input[left++] = temp[k++];
    }
}
 
void MergeSort(vector<int> &input, int left, int right, vector<int> temp){
    if (left < right){
        int mid = (right + left) >> 1;
        MergeSort(input, left, mid, temp);
        MergeSort(input, mid + 1, right, temp);
        Merge(input, left, mid, right, temp);
    }
}
 
void mergesort(vector<int> &input){
    // 在排序前，先建好一个长度等于原数组长度的临时数组，避免递归中频繁开辟空间
    vector<int> temp(input.size());                
    MergeSort(input, 0, input.size() - 1, temp);
}
 
void main(){
    int arr[] = { 6, 4, 8, 9, 2, 3, 1};
    vector<int> test(arr, arr + sizeof(arr) / sizeof(arr[0]));
    cout << "排序前:";
    for (int i = 0; i < test.size(); i++){
        cout << test[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    vector<int> result = test;
    mergesort(result);
    cout << "排序后:";
    for (int i = 0; i < result.size(); i++){
        cout << result[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    system("pause");
}

运行结果如下图所示：

排序（7）：归并排序

可以看到已经可以看到归并排序算法顺利执行了。

Python：

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# -*- coding:utf-8 -*-
 
def MergeSort(input_list):
    '''
    函数说明:归并排序（升序）
    Author:
        www.cuijiahua.com
    Parameters:
        input_list - 待排序列表
    Returns:
        sorted_list - 升序排序好的列表
    '''
    def merge(input_list, left, mid, right, temp):
        '''
        函数说明:合并函数
        Author:
            www.cuijiahua.com
        Parameters:
            input_list - 待合并列表
            left - 左指针
            right - 右指针
            temp - 临时列表
        Returns:
            无
        '''    
        i = left
        j = mid + 1
        k = 0
 
        while i <= mid and j <= right:
            if input_list[i] <= input_list[j]:
                temp[k] = input_list[i]
                i += 1
            else:
                temp[k] = input_list[j]
                j += 1
            k += 1
 
        while i <= mid:
            temp[k] = input_list[i]
            i += 1
            k += 1
        while j <= right:
            temp[k] = input_list[j]
            j += 1
            k += 1
 
        k = 0
        while left <= right:
            input_list[left] = temp[k]
            left += 1
            k += 1
 
    def merge_sort(input_list, left, right, temp):
        if left >= right:
            return;
        mid = (right + left) // 2
        merge_sort(input_list, left, mid, temp)
        merge_sort(input_list, mid + 1, right, temp)
 
        merge(input_list, left, mid, right, temp)
 
    if len(input_list) == 0:
        return []
    sorted_list = input_list
    temp = [0] * len(sorted_list)
    merge_sort(sorted_list, 0, len(sorted_list) - 1, temp)
    return sorted_list
 
if __name__ == '__main__':
    input_list = [6, 4, 8, 9, 2, 3, 1]
    print('排序前:', input_list)
    sorted_list = MergeSort(input_list)
    print('排序后:', sorted_list)

运行效果同上。

三、算法分析

1、归并排序算法的性能

排序（7）：归并排序

其中，log2n为以2为底，n的对数。

2、时间复杂度

归并排序的形式就是一棵二叉树，它需要遍历的次数就是二叉树的深度，而根据完全二叉树的可以得出它的时间复杂度是O(n*log2n)。

3、空间复杂度

由前面的算法说明可知，算法处理过程中，需要一个大小为n的临时存储空间用以保存合并序列。

4、算法稳定性

在归并排序中，相等的元素的顺序不会改变，所以它是稳定的算法。

5、归并排序和堆排序、快速排序的比较

若从空间复杂度来考虑：首选堆排序，其次是快速排序，最后是归并排序。

若从稳定性来考虑，应选取归并排序，因为堆排序和快速排序都是不稳定的。

若从平均情况下的排序速度考虑，应该选择快速排序。 

 

本站整理自：

http://www.cnblogs.com/jingmoxukong/p/4308823.html

https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6194356.html

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分享技术，乐享生活：微信公众号搜索「JackCui-AI」关注一个在互联网摸爬滚打的潜行者。
Jack Cui

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目前评论：8   其中：访客  5   博主  3

    • avatar 蜗牛 来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 7 中国 移动 3
      回复 2018年1月11日 下午10:41  沙发

      华哥，这个C++的代码也是sublime text写的么？

        • avatar Jack Cui Admin 来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 10 辽宁省沈阳市 联通
          回复 2018年1月12日 上午7:36  1层

          @蜗牛 c++的用VS2015，这个 代码风格是sublime text看着舒服~

            • avatar 蜗牛 来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 7 辽宁省沈阳市 东北大学大学生城 3
              回复 2018年1月12日 上午9:12  2层

              @Jack Cui 嗯呢，不错

          • avatar zyh 来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 10 河南省郑州市 联通 1
            回复 2018年2月6日 上午10:49  板凳

            python程序错了，第三十行判断应该是while i<=mid && j<=right:

              • avatar Jack Cui Admin 来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 7 辽宁省沈阳市 东北大学四舍(女生)
                回复 2018年2月6日 上午11:01  1层

                @zyh 感谢指正，已更改。

              • avatar 卢小杨 来自天朝的朋友 谷歌浏览器 Windows 10 广东省广州市天河区 广东省广州市 0
                回复 2019年5月27日 下午8:13  地板

                请问一下：函数的递归，为什么没有返回值，也能够对sorted_list的值进行更改；sorted_list只是一个局部变量呀？

                  • avatar Jack Cui Admin 来自天朝的朋友 Safari浏览器 Mac OS X 10_14_4 北京市 百度网讯科技联通节点
                    回复 2019年5月28日 上午9:29  1层

                    @卢小杨 每层都有return的，如果不懂递归，建议看下最简单的递归，调试看下原理，然后再回来看这个代码。

                  • avatar 苍茫误此生 来自天朝的朋友 火狐浏览器 Linux 上海市 电信 0
                    回复 2020年4月24日 下午4:53  4楼

                    python列表添加元素可以用 append 方法，这样就不用用额外 k 变量来标记当前下标了。