Java经典排序算法之归并排序详解

一、归并排序

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。将已有序的子序列合并，得到完全有序的序列；即先使每个子序列有序，再使子序列段间有序。若将两个有序表合并成一个有序表，称为二路归并。

归并过程为：比较a[i]和a[j]的大小，若a[i]≤a[j]，则将第一个有序表中的元素a[i]复制到r[k]中，并令i和k分别加上1；否则将第二个有序表中的元素a[j]复制到r[k]中，并令j和k分别加上1，如此循环下去，直到其中一个有序表取完，然后再将另一个有序表中剩余的元素复制到r中从下标k到下标t的单元。归并排序的算法我们通常用递归实现，先把待排序区间[s,t]以中点二分，接着把左边子区间排序，再把右边子区间排序，最后把左区间和右区间用一次归并操作合并成有序的区间[s,t]。

二、归并操作

三、两路归并算法

1、算法基本思路

    　设两个有序的子文件(相当于输入堆)放在同一向量中相邻的位置上：R[low..m]，R[m+1..high]，先将它们合并到一个局部的暂存向量R1(相当于输出堆)中，待合并完成后将R1复制回R[low..high]中。

（1）合并过程

    　合并过程中，设置i，j和p三个指针，其初值分别指向这三个记录区的起始位置。合并时依次比较R[i]和R[j]的关键字，取关键字较小的记录复制到R1[p]中，然后将被复制记录的指针i或j加1，以及指向复制位置的指针p加1。
    　重复这一过程直至两个输入的子文件有一个已全部复制完毕(不妨称其为空)，此时将另一非空的子文件中剩余记录依次复制到R1中即可。

（2）动态申请R1

    　实现时，R1是动态申请的，因为申请的空间可能很大，故须加入申请空间是否成功的处理。

2、归并算法

void Merge(SeqList R，int low，int m，int high) 
 {//将两个有序的子文件R[low..m)和R[m+1..high]归并成一个有序的 
 //子文件R[low..high] 
 int i=low，j=m+1，p=0； //置初始值 
 RecType *R1； //R1是局部向量，若p定义为此类型指针速度更快 
 R1=(ReeType *)malloc((high-low+1)*sizeof(RecType))； 
 if(! R1) //申请空间失败 
 Error("Insufficient memory available!")； 
 while(i<=m&&j<=high) //两子文件非空时取其小者输出到R1[p]上 
 R1[p++]=(R[i].key<=R[j].key)?R[i++]：R[j++]； 
 while(i<=m) //若第1个子文件非空，则复制剩余记录到R1中 
 R1[p++]=R[i++]； 
 while(j<=high) //若第2个子文件非空，则复制剩余记录到R1中 
 R1[p++]=R[j++]； 
 for(p=0，i=low；i<=high；p++，i++) 
 R[i]=R1[p]；//归并完成后将结果复制回R[low..high] 
 } //Merge 

四、归并排序

归并排序有两种实现方法：自底向上和自顶向下。下面说说自顶向下的方法    

（1）分治法的三个步骤

设归并排序的当前区间是R[low..high]，分治法的三个步骤是：
①分解：将当前区间一分为二，即求分裂点        
②求解：递归地对两个子区间R[low..mid]和R[mid+1..high]进行归并排序；
③组合：将已排序的两个子区间R[low..mid]和R[mid+1..high]归并为一个有序的区间R[low..high]。
递归的终结条件：子区间长度为1（一个记录自然有序）。

（2）具体算法

void MergeSortDC(SeqList R，int low，int high) 
 {//用分治法对R[low..high]进行二路归并排序 
 int mid； 
 if(low<high){//区间长度大于1 
  mid=(low+high)/2； //分解 
  MergeSortDC(R，low，mid); //递归地对R[low..mid]排序 
  MergeSortDC(R，mid+1，high)； //递归地对R[mid+1..high]排序 
  Merge(R，low，mid，high)； //组合，将两个有序区归并为一个有序区 
 } 
 }//MergeSortDC 

（3）算法MergeSortDC的执行过程

算法MergeSortDC的执行过程如下图所示的递归树。

五、算法分析

1、稳定性

归并排序是一种稳定的排序。

2、存储结构要求

可用顺序存储结构。也易于在链表上实现。

3、时间复杂度

对长度为n的文件，需进行 趟二路归并，每趟归并的时间为O(n)，故其时间复杂度无论是在最好情况下还是在最坏情况下均是O(nlgn)。

4、空间复杂度

需要一个辅助向量来暂存两有序子文件归并的结果，故其辅助空间复杂度为O(n)，显然它不是就地排序。

注意：

若用单链表做存储结构，很容易给出就地的归并排序。

5、比较操作的次数介于(nlogn) / 2和nlogn - n + 1。

6、赋值操作的次数是(2nlogn)。归并算法的空间复杂度为：0 (n)

7、归并排序比较占用内存，但却是一种效率高且稳定的算法。

六、代码实现

public class MergeSortTest { 
 
 public static void main(String[] args) { 
 int[] data = new int[] { 2, 4, 7, 5, 8, 1, 3, 6 }; 
 System.out.print("初始化：\t"); 
 print(data); 
 System.out.println(""); 
 
 mergeSort(data, 0, data.length - 1); 
  
 System.out.print("\n排序后: \t"); 
 print(data); 
 } 
 
 public static void mergeSort(int[] data, int left, int right) { 
 if (left >= right) 
  return; 
 //两路归并 
 // 找出中间索引 
 int center = (left + right) / 2; 
 // 对左边数组进行递归 
 mergeSort(data, left, center); 
 // 对右边数组进行递归 
 mergeSort(data, center + 1, right); 
 // 合并 
 merge(data, left, center, center + 1, right); 
 System.out.print("排序中:\t"); 
 print(data); 
 } 
 
 /** 
 * 将两个数组进行归并，归并前面2个数组已有序，归并后依然有序 
 * 
 * @param data 
 *  数组对象 
 * @param leftStart 
 *  左数组的第一个元素的索引 
 * @param leftEnd 
 *  左数组的最后一个元素的索引 
 * @param rightStart 
 *  右数组第一个元素的索引 
 * @param rightEnd 
 *  右数组最后一个元素的索引 
 */ 
 public static void merge(int[] data, int leftStart, int leftEnd, 
  int rightStart, int rightEnd) { 
 int i = leftStart; 
 int j = rightStart; 
 int k = 0; 
 // 临时数组 
 int[] temp = new int[rightEnd - leftStart + 1]; //创建一个临时的数组来存放临时排序的数组 
 // 确认分割后的两段数组是否都取到了最后一个元素 
 while (i <= leftEnd && j <= rightEnd) { 
  // 从两个数组中取出最小的放入临时数组 
  if (data[i] > data[j]) { 
  temp[k++] = data[j++]; 
  } else { 
  temp[k++] = data[i++]; 
  } 
 } 
 // 剩余部分依次放入临时数组（实际上两个while只会执行其中一个） 
 while (i <= leftEnd) { 
  temp[k++] = data[i++]; 
 } 
 while (j <= rightEnd) { 
  temp[k++] = data[j++]; 
 } 
 k = leftStart; 
 // 将临时数组中的内容拷贝回原数组中 // （原left-right范围的内容被复制回原数组） 
 for (int element : temp) { 
  data[k++] = element; 
 } 
 } 
 
 public static void print(int[] data) { 
 for (int i = 0; i < data.length; i++) { 
  System.out.print(data[i] + "\t"); 
 } 
 System.out.println(); 
 } 
} 

七、运行结果

初始化： 2 4 7 5 8 1 3 6 
 
排序中: 2 4 7 5 8 1 3 6 
排序中: 2 4 5 7 8 1 3 6 
排序中: 2 4 5 7 8 1 3 6 
排序中: 2 4 5 7 1 8 3 6 
排序中: 2 4 5 7 1 8 3 6 
排序中: 2 4 5 7 1 3 6 8 
排序中: 1 2 3 4 5 6 7 8 
 
排序后: 1 2 3 4 5 6 7 8 

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