堆排序（含证明）

引言

前面我们讲过堆的基本操作的实现，现在给定一个int类型的数组，里面存放的数据是无序的，我们如何利用堆的思想来实现数组内数据的升序排列或降序排列呢？

通过前面讲到的堆的实现，我们可以想到，我们再开辟一块空间来模拟堆，将给定数组里的数据一一插入堆中（pushHeap）。这样做可以是可以，但如果是代码量未免有点大，而且还要额外开辟空间。如果是在平时考试时碰到这种题，那实现起来会有点麻烦。

如果能在给定数组上直接调整并减少点代码量就好了，今天我们就来讲讲如何这样实现堆排序。

堆排序主要涉及到两个步骤：1.建堆 2.利用堆的思想排序（具体怎么排序后面会讲）

接下来我们以排升序为例进行讲解。

如何建堆？

以建大堆为例：

如果是在原数组的基础上进行建大堆，通过前面的堆的学习和实现，我们可以通过在原数组进行向上调整法或向下调整法达到目的。

向上调整法建堆

我们以这个数组为例：

int a[7]=｛30,60,56,80,70,10,15｝;

要将它建成大堆：

从下向上遍历：从数组的第二个元素（下标为1）开始，依次向上遍历到第一个元素（下标为0）。这是因为堆的第一个元素（根节点）在构建过程中不需要进行向上调整。

向上调整：对于遍历到的每个元素（假设当前元素的下标为i），执行以下步骤：

• 计算当前元素的父节点下标（parent = (i - 1) / 2）。
• 比较当前元素与其父节点的值。
• 如果当前元素的值大于其父节点的值，则交换这两个元素的位置。
• 交换后，将当前元素的下标更新为其父节点的下标，并重复上述比较和交换步骤，直到当前元素的值不大于其父节点的值，或者当前元素成为根节点。
• 完成建堆：当遍历完所有元素并完成所有必要的向上调整后，整个数组就形成了一个大顶堆。

附上代码：

void swap(dataType* x, dataType* y)
{dataType tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;
}void adjustUp(dataType* a, int child)
{assert(a);int parent = (child - 1) / 2;while (child > 0) {if (a[child] > a[parent]) {swap(&a[parent], &a[child]);child = parent;parent = (child - 1) / 2;}else {break;}}
}void heapSort(int* a, int n) {for (int i = 1; i < n; i++) {adjustUp(a, i);}
}

向下调整法建堆

还是以原来的数组为例：

int a[7]=｛30,60,56,80,70,10,15｝;

将它建成大堆：

从最后一个非叶子节点开始，依次向上遍历每个节点（包括根节点）。对于每个节点，执行以下步骤：

• 将当前节点视为父节点。
• 比较其父节点与左右子节点的值（如果存在的话）。
• 如果父节点的值小于左右子节点中的较小值，则交换父节点与较小子节点的值。
• 将交换后的较小子节点视为新的父节点，重复上述比较和交换步骤，直到父节点的值大于或等于其所有子节点的值，或者父节点成为叶子节点。

当所有节点都按照上述步骤调整完毕后，整个数组就形成了一个大顶堆。

这里有一个问题，如何算最后一个出非叶子节点的下标呢？

在一个堆中，最后一个叶子节点的下标是n-1，那它父节点的下标就是(n-1-1)/2也就是（n-2）/2。

附上代码：

void swap(dataType* x, dataType* y)
{dataType tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;
}
int getMax(dataType* a, int x, int y)
{if (a[x] > a[y]){return x;}else {return y;}
}
void adjustDown(dataType* a, int parent, int size)
{assert(a);while (parent < size){int lChild = 2 * parent + 1, rChild = 2 * parent + 2, swapChild;if (rChild < size) {swapChild = getMax(a, lChild, rChild);}else {swapChild = lChild;}if (swapChild < size && a[parent] < a[swapChild]) {swap(&a[parent], &a[swapChild]);parent = swapChild;}else {break;}}
}
void heapSort(int* a, int n) {//向下调整法for (int i = (n - 2)/2; i >= 0; i--) {adjustDown(a, i, n);}}

时间复杂度

向上调整法建堆

 向下调整法建堆

总结

对比之下，向下调整法建堆的时间复杂度更低，所以我们更推荐用向下调整法建堆。

一个误区：排升序就是直接将原来无序的数组构建成小堆就可以了

说到建堆，无非就两种：要么建大顶堆，要么建小顶堆。但如果是排升序，很多人可能第一反应是直接建小顶堆就可以了。但是这样真的合适吗？我们以这个数组为例：

int a[5]=｛30,60,56,70,10｝;

 把它建成小顶堆会是这样：

 对应的数组就是这样了：int a[5]=｛10,30,56,70,60｝;

我们发现这样调整后，数组里面的数据并不是完全按照升序排列的。为什么会这样呢？

我们需要知道，在小堆中，堆顶元素确实是最小的。但是，这并不意味着从堆顶到堆尾的所有元素都按升序排列。小堆的结构只保证了从根节点到每个叶子节点的路径上，元素是递增的。然而，不同路径上的元素之间并没有这样的保证。

所以，直接将原来无序的数组构建成小堆是不可行的办法。

排升序建大堆，排降序建小堆

那我们该怎么办呢？

答案是：排升序建大堆，排降序建小堆。

竟然跟我们最初的想法背道而驰，接下来我会讲解一下为什么要这么做以及具体如何实现。

我们以这个数组为例：

int a[5]=｛4, 10, 3, 5, 1｝

具体步骤

1.我们先把将它建成大堆：

int a[5]=｛10,5,3,4,10｝； 

2.交换堆顶元素与末尾元素：将堆顶元素（当前最大值）与序列末尾元素交换位置。

这一步骤将最大值“沉”到底部，同时保证了剩余元素组成的子序列仍满足堆的性质。

3.调整剩余元素：将交换后的剩余元素（除去已排序的堆顶元素）重新调整为一个堆。

由于堆顶元素已被移到末尾，此时需要对剩余元素重新执行向下调整操作，使得新的堆顶元素成为剩余元素中的最大值。

 4.重复交换与调整：重复步骤2和步骤3，每次都将当前堆顶元素（即剩余部分的最大值）与末尾元素交换，并对剩余元素重新调整为堆。

         ①                          ②                         ③

 

   ④                           ⑤                        ⑥

随着每一次交换和调整，有序序列逐渐扩大，堆的大小逐渐减小。

5.终止条件：当堆的大小减小到1时，整个序列已经有序，堆排序过程结束。

代码

void swap(dataType* x, dataType* y)
{dataType tmp = *x;*x = *y;*y = tmp;
}
int getMax(dataType* a, int x, int y)
{if (a[x] > a[y]){return x;}else {return y;}
}
void adjustDown(dataType* a, int parent, int size)
{assert(a);while (parent < size){int lChild = 2 * parent + 1, rChild = 2 * parent + 2, swapChild;if (rChild < size) {swapChild = getMax(a, lChild, rChild);}else {swapChild = lChild;}if (swapChild < size && a[parent] < a[swapChild]) {swap(&a[parent], &a[swapChild]);parent = swapChild;}else {break;}}
}
void heapSort(int* a, int n) {//向下调整法for (int i = (n - 2)/2; i >= 0; i--) {adjustDown(a, i, n);}int cnt = n - 1;while (cnt) {swap(&a[0], &a[cnt]);adjustDown(a, 0, cnt);--cnt;}}

时间复杂度

前面我们知道，通过向下调整法构建初始堆的时间复杂度为O(n)，因为需要对n个元素进行一次向下调整操作。

交换堆顶元素与末尾元素并重新调整堆的过程需要重复n-1次，每次调整的时间复杂度为O(log n)。

因此，总的时间复杂度为O(n log n)。

如果排升序建小堆

在堆排序中，如果目标是进行升序排序，通常我们会选择构建大顶堆，而不是小顶堆。这是因为大顶堆的堆顶元素是最大的，通过不断地将堆顶元素与末尾元素交换并调整堆，可以逐步将序列排序为升序。

然而，如果尝试使用小顶堆来进行升序排序，步骤和弊端如下：

具体步骤

1.建堆：给定一个无序数组int a[5]=｛4, 10, 3, 5, 1｝，通过向下调整法将其构建为小顶堆int a[5]=｛1, 3, 4,5,10｝;

        1
       /  \
     3    4
     / \
   5   10

 

2.交换与调整：将小顶堆的堆顶元素（当前最小值）与数组末尾元素交换位置。

堆顶元素（1）与数组末尾元素（10）交换：      

      10
      /  \
    3    4
    / \
  5    1
由于交换后的堆顶元素可能不再是最小值，因此需要对剩余元素重新调整为小顶堆。

对应的数组表示变为：[10, 3, 4, 5, 1]，此时，1已经被放到了数组最后的位置，不再参与后续堆化。

但是注意了，剩余元素[10, 3, 4, 5]需要重新调整为小顶堆。但是，不能直接通过下沉操作将3放到堆顶，因为这里的adjustDown函数是从堆顶开始与较大的子节点交换，直到找到合适的位置。在这个情况下，堆顶是10，它是当前堆中的最大值，下沉操作会将它与孩子几点钟较大的那一个孩子节点交换，也就是4，并不能把3交换上去。

正确的重新堆化过程：实际上，我们需要从最后一个非叶子节点开始（在这个例子中是4），向上逐个节点进行堆化，确保每个子树都满足小顶堆的性质。
然后，我们再将根节点（10）与其子节点中较小的一个进行交换，直到整个堆满足小顶堆的性质。
这个过程比简单地下沉操作要复杂得多，因为它可能涉及到多次交换和比较。

 

3.重复步骤：重复步骤2，每次都将新的堆顶元素（当前最小值）与数组末尾元素交换，并重新调整剩余元素为小顶堆。

弊端（与大顶堆相比）

一、效率低下

• 小顶堆：

1. 每次交换到末尾的是当前最小值。
2. 需要对整个堆进行重新调整以得到下一个最小值。
3. 迭代过程中每次都需要进行调整，导致整体效率低下。

• 大顶堆：

1. 每次交换到末尾的是当前最大值。
2. 剩余元素自然形成新的堆，只需对堆顶元素进行向下调整。
3. 每次迭代的时间复杂度相对较低。

二、稳定性问题

• 小顶堆升序排序时，每次交换最小值可能破坏相同元素的相对顺序，稳定性问题更突出。

三、逻辑复杂性

• 小顶堆用于升序排序反直觉。
• 升序排序目标为从小到大排列，大顶堆堆顶为当前最大值，更符合需求。
• 小顶堆需每次交换后进行复杂调整操作。

 

ps：在第一次学习数据结构的时候，我并没有学过堆排序。这篇博客也是本人到目前为止写的最心累的一篇博客！其实如果掌握好了前面堆的实现的内容，堆排序理解和实现起来并不难。所以前面的内容一定要理解到位！