php堆排序详解

小云云
发布: 2023-03-22 16:10:01
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 堆排序(Heapsort)是指利用堆积树(堆)这种数据结构所设计的一种排序算法,它是选择排序的一种。可以利用数组的特点快速定位指定索引的元素。堆分为大根堆和小根堆,是完全二叉树。大根堆的要求是每个节点的值都不大于其父节点的值,即A[PARENT[i]] >= A[i]。在数组的非降序排序中,需要使用的就是大根堆,因为根据大根堆的要求可知,最大的值一定在堆顶。

堆的定义

    一个完全二叉树中,任意父结点总是大于或等于(小于或等于)任何一个子节点,则为大顶堆(小顶堆)。

堆的数组存储方式

完全二叉树适合采用顺序存储的方式,因此一个数组可以看成一个完全二叉树。

  • 节点编号:树根起,自上层到下层,每层从左至右,给所有结点顺序编号,能得到一个反映整个二叉树结构的线性序列。

clip_image001

  • 编号特点:

从一个结点的编号就可推得其双亲,左、右孩子,兄弟等结点的编号。假设编号为i的结点是ki(1≤i≤n),则有:

  ①若i>1,则ki的双亲编号为i/2;若i=1,则Ki是根结点,无双亲。

  ②若2i≤n,则Ki的左孩子的编号是2i;否则,Ki无左孩子,即Ki必定是叶子。因此完全二叉树中编号i>n/2的结点必定是叶结点。

  ③若2i+1≤n,则Ki的右孩子的编号是2i+1;否则,Ki无右孩子。

注:ki(0≤i≤n)满足数组下标时,则可能的左右孩子分别为2i+1、2i+2。

堆排序的思想(以大顶堆为例)

利用堆顶记录的是最大关键字这一特性,每一轮取堆顶元素放入有序区,就类似选择排序每一轮选择一个最大值放入有序区,可以把堆排序看成是选择排序的改进。

  1. 将初始待排序关键字序列(R0,R1,R2....Rn)构建成大顶堆,此堆为初始的无序区;

  2. 将堆顶元素R[0]与最后一个元素R[n]交换,此时得到新的无序区(R0,R1,R2,......Rn-1)和新的有序区(Rn);

  3. 由于交换后新的堆顶R[0]可能违反堆的性质,因此需要对当前无序区(R0,R1,R2,......Rn-1)调整为新堆。

不断重复此2、3步骤直到有序区的元素个数为n-1,则整个排序过程完成。

算法分析

image

筛选算法

//最难理解的地方

  • 目标:一个所有子树都为堆的完全二叉树。意思就是这个二叉树只差跟节点不满足堆的结构。//很重要,很重要,很重要

    如下图:

clip_image002

  • 方法:首先将root和它的左右子树的根结点进行比较,把最大的元素交换到root节点;然后顺着被破坏的路径一路调整下去,直至叶子结点,就得到新的堆。

clip_image003

  • 运用:1.在上文提到的堆排序思想,2-3步骤中将无序区调整为堆的时候用到。

          2.初始化堆

初始化堆

从最后一个非叶子节点i(i=n/2,n为节点个数)开始,将以i为根节点的二叉树通过筛选调整为堆。以第一张图为例,编号顺序为8、7、6...1。

从最后一个非叶子节就保证了筛选算法的正确性,因为筛选算法的目标是一个所有子树都为堆的完全二叉树。

php实现堆排序:
<?php
//堆排序,对简单排序的改进
  function swap(array &$arr,$a,$b)
  {
      $temp=$arr[$a];
      $arr[$a]=$arr[$b];
      $arr[$b]=$temp;
  }
  //调整$arr[$start]的关键字,$arr[$start]、$arr[$start+1]、、、$arr[$end]成为一个大根堆(根节点最大的完全二叉树)
  //注意:这里节点s的左右孩子是 2*s +1 和 2*s+2(数组开始下标为0时)
   function HeapAdjust(array &$arr $start $end)
   {
       $temp= $arr[$start];
       //沿关键字较大的孩子节点向下筛选
       //左右孩子计算 (这里数组的开始下标为0)
       //左边孩子 2*$start+1,右边孩子 2*$start+2
       for ($j=2*$start+1; $j <=$end; $j=2*$j+1) { 
           if ($j !=$end &&$arr[$j] <$arr[$j+1]) {
               $j++;  //转化为右边孩子
           }
           if ($temp >=$arr[$j]) {
               break;  //已经满足大根堆
           }
           //将根节点设置为子节点的较大值
           $arr[$start]=$arr[$j];
           //继续往下
           $start=$j;
       }
       $arr[$start] =$temp;
   }
   function HeapSort(array &$arr)
   {
       $count=count($arr);
       //先将数据结构造成大根堆 (由于是完全二叉树,所以这里用floor($count/2-1),下标小于或等于这个数的节点都是有孩子的节点)
       for ($i=floor($count /2)-1; $i >=0 ; $i--) { 
           HeapAdjust($arr,$i,$count);
       }
       for ($i=$count-1; $i >=0 ; $i--) { 
       //将堆顶元素与最后一个元素交换,获取到最大元素(交换后的最后一个元素),将最大元素放到数组末尾
           swap($arr,0,$i);
       //经过交换,将最后一个元素(最大元素)脱离大根堆,并将未经排序的新数($arr[0...$i-1])重新调整为大根堆
           HeapAdjust($arr,0,$i-1);
       }
   }
   $arr=array(4,1,5,9);
   HeapSort($arr);
   v
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