图解堆排序-C语言实现

前言

我们在介绍《什么是优先队列》的时候就注意到，如果每次都删除堆顶元素，那么将会得到一个有序的数据。因此，我们可以利用二叉堆来对数据进行排序。点我查看本文代码地址。

堆排序分析

通过前面的学习我们可以看到，如果构建一个二叉堆，最后每次从堆顶取出一个元素，那么最终取出元素就是有序的，不过如果要用来对数据按照从小到大排序，就不是构造小顶堆，而是大顶堆了，即堆顶元素大于等于其左右儿子节点。总结堆排序思路如下：

• 以O(N)时间复杂度构建N个元素的二叉堆
• 以O(logN)时间复杂度删除一个堆顶元素，N个元素时间复杂度为O（NlogN）
• 由于删除一个堆顶元素时，就会空出一个位置，为了节省空间，将删除的堆顶元素放到数组末尾
• 当堆为空时，完成排序
• 由于数组元素从下标0开始，因此每个位置必须利用好。假设堆顶元素位置为i,那么左右儿子节点位置分别为2i+1,2i+2

实例分析

根据前面的分析，我们来看一个具体的例子。假设我们要对

1 10 8 5 7 15 35

进行排序。

该数据构成的原始二叉树如下：

构建二叉堆

为了能够使得数组所有元素满足堆的性质，即父节点大于等于儿子节点，我们需要从倒数第二层开始调整（为什么不是从最后一层？）。即调整8和10。
对于8来说，找到它的儿子节点中较大的一个，即35,将8和35交换后如下：

此时数组数据为：

1 10 35 5 7 15 8

对于10来说，它比左右儿子节点都大，因此不需要调整。

对于１来说，它的右儿子35最大，因此需要调整，和右儿子交换后如下：

此时数组数据为：

35 10 1 5 7 15 8

但是一次交换后，我们发现，１的左儿子还是比它大，因此交换它和较大的左儿子的位置，交换后如下：

此时数组数据为：

35 10 15 5 7 1 8

最终我们得到了满足堆性质的二叉堆了。

基于二叉堆的排序

在堆创建好后，每次取出堆顶元素，并且调整堆，把堆顶元素放在数组最后即可。
例如，对于前面创建好的堆，堆顶元素是35，我们取出第i（此时为1）个元素35，并把堆最后一个元素放在数组倒数第i个位置：

为了满足堆性质，我们需要调整堆顶元素，因为堆顶元素目前不满足堆性质，因此需要交换8和15的位置：

此时所有元素再次满足堆性质。

此时数组数据为：

15 10 8 5 7 1 35

对于其他元素也是同样的操作，因此不再赘述。

代码实现

根据上面的分析，关键代码实现如下：

void adjust_ele(ElementType arr[],int i,int length)
{
    int child ;
    ElementType temp;
    for(temp = arr[i];2*i+1 < length;i = child)
    {
        child = 2 * i +1;
        
        /*找到较大的儿子*/
        if(child != length-1 && arr[child+1] > arr[child])
            child+=1;
        /*如果空穴元素小于该儿子，则空穴下滑*/
        if(temp < arr[child])
           arr[i] = arr[child];
        else
         break;
    }
    /*将i位置的元素放到正确的位置*/
    arr[i] = temp;
}
void heap_sort(ElementType arr[],int length)
{
    int i = 0;
    /*构建堆*/
    for(i = length /2;i >= 0;i--)
    {
        adjust_ele(arr,i,length);
        //printArr(arr,length);
    }
    for(i = length-1;i > 0;i--)
    {
        /*填充i位置的空穴*/
        swap(&arr[0],&arr[i]);
        
        /*每次都处理堆顶元素*/
        adjust_ele(arr,0,i);
        //printArr(arr,length);
    }
}

完整可运行代码地址：heapSort

运行结果：

before sort:1 10 8 5 7 15 35 
after  sort:1 5 7 8 10 15 35

总结

结合我们前面介绍的优先队列，我们很容易理解堆排序，不过需要注意的就是位置0必须使用上。另外通过利用删除堆顶元素后空出来的位置，避免了另外申请数组内存来存放排序好的数组。建议自己修改完整可运行代码，来观察数据调整情况。