堆排序算法——C/C++堆排序

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我是靠谱客的博主大方电灯胆，最近开发中收集的这篇文章主要介绍堆排序算法——C/C++堆排序，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

堆排序

1. 算法思想

堆排序（Heapsort）是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆积是一个近似完全二叉树的结构，并同时满足堆积的性质：即子结点的键值或索引总是小于（或者大于）它的父节点。

2. 实现原理

要实现从小到大的排序，就要建立大顶堆，即父节点比子节点都要大。

2.1、初始化数组，创建大顶堆。
	1. 大顶堆的创建从下往上比较，不能直接用无序数组从根节点比较，否则有的不符合大顶堆的定义。
2.2、交换根节点和倒数第一个数据，现在倒数第一个数据就是最大的。
2.3、重新建立大顶堆。
	1. 因为只有 array[0] 改变，其它都符合大顶堆的定义，所以可以根节点 array[0] 重新建立。
2.4、重复2.2、2.3的步骤，直到只剩根节点 array[0]，即 i=1。

3. 动态演示

网上这个就展示的非常好
在这里插入图片描述

4. 完整代码

4.1. 核心函数

调整函数：void heap_adjust_max(int* array, int start, int end)
排序函数：void heap_sort(int* array, int size)

4.2. 代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // rand() srand()
#include <time.h>   // time()

void display(int* array, int size);   // 打印函数
int  check_min(int* array, int size); // 检查函数
int  check_max(int* array, int size); // 检查函数
void swap(int* a, int* b);            // 交换函数

/**
 * @brief 从大到小排序：创建小顶堆
 *
 * @param array        数组首指针
 * @param start        调整开始位置
 * @param end          调整结束位置
 */
void heap_adjust_min(int* array, int start, int end)
{
    int parent = start;         // 父节点下标
    int child  = 2 * start + 1; // 子节点下标
    while (child < end) {
        // 判断子节点大小，小的与父节点比较
        if (child + 1 < end && array[child] > array[child + 1]) {
            child++;
        }
        /**
         * 比较父节点和子节点大小
         *  小于    表示调整好了，直接退出
         *  其他    继续向下调整
         */
        if (array[parent] < array[child]) {
            return;
        } else {
            swap(&array[parent], &array[child]); // 交换父节点和子节点
            parent = child;                      // 子节点下标 赋给 父节点下标
            child  = child * 2 + 1;              // 换行，比较下面的父节点和子节点
        }
    }
}

/**
 * @brief 从小到大排序：创建大顶堆
 *
 * @param array        数组首指针
 * @param start        调整开始位置
 * @param end          调整结束位置
 */
void heap_adjust_max(int* array, int start, int end)
{
    int parent = start;         // 父节点下标
    int child  = 2 * start + 1; // 子节点下标
    while (child < end) {
        // 判断子节点大小，大的与父节点比较
        if (child + 1 < end && array[child] < array[child + 1]) {
            child++;
        }
        /**
         * 比较父节点和子节点大小
         *  大于    表示调整好了，直接退出
         *  其他    继续向下调整
         */
        if (array[parent] > array[child]) {
            return;
        } else {
            swap(&array[parent], &array[child]); // 交换父节点和子节点
            parent = child;                      // 子节点下标 赋给 父节点下标
            child  = child * 2 + 1;              // 换行，比较下面的父节点和子节点
        }
    }
}

/**
 * @brief 堆排序
 *
 * @param array        数组首地址
 * @param size         数组大小
 */
void heap_sort(int* array, int size)
{
    printf("初始化数组：");
    // 初始化堆：倒数一半开始, 因为后面的在最底层不用调整
    // 创建大顶堆，必须从下往上比较，否则有的不符合大顶堆定义
    for (int i = size / 2 - 1; i >= 0; i--) {
        heap_adjust_max(array, i, size);
    }
    // 查看初始化结果
    display(array, size);
    // 依次交换排序并调整
    for (int i = size - 1; i > 0; i--) {
        swap(&array[0], &array[i]);   // 交换顶点和第 i 个数据，因为只有 array[0] 改变，其它都符合大顶堆的定义，所以可以从上往下重新建立
        heap_adjust_max(array, 0, i); // 需要排序的数组大小逐渐变小，重新建立大顶堆
    }
}

int main()
{
    // 测试用例
    // int array[]    = {49, 38, 65, 97, 76, 13, 27, 49, 10};
    // int array_size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
    // printf("%d n", array_size);
    // printf("排序前数组：");
    // display(array, array_size);
    // heap_sort(array, array_size);
    // printf("排序后数组：");
    // display(array, array_size);

    // 随机测试
    int array_num  = 20;             // 数组数量
    int array_size = 20;             // 数组大小
    int array[array_size];           // 数组初始化
    srand((unsigned int)time(NULL)); // 随机数种子，保证每次不一样
    for (int i = 0; i < array_num; i++) {
        for (int j = 0; j < array_size; j++) {
            array[j] = rand() % 1000; // 随机生成数大小 0~999
        }
        printf("原来的数组：");
        display(array, array_size);
        heap_sort(array, array_size);
        printf("排序后数组：");
        display(array, array_size);
        // 检测排序结果
        if (check_max(array, array_size) != 0) {
            exit(-1);
        }
        printf("n");
    }

    return 0;
}

/**
 * @brief 打印函数
 *
 * @param array        数组首指针
 * @param size         数组大小
 */
void display(int* array, int size)
{
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("n");
}

/**
 * @brief 检查函数
 *
 * @param array        数组首指针
 * @param size         数组大小
 */
int check_min(int* array, int size)
{
    for (int i = 0; i < size - 1; i++) {
        if (array[i] < array[i + 1]) {
            printf("sort array fail...n");
            return -1;
        }
    }
    printf("sort array success...n");
    return 0;
}
int check_max(int* array, int size)
{
    for (int i = 0; i < size - 1; i++) {
        if (array[i] > array[i + 1]) {
            printf("sort array fail...n");
            return -1;
        }
    }
    printf("sort array success...n");
    return 0;
}

/**
 * @brief 交换函数
 *
 * @param a            第一个交换地址
 * @param b            第二个交换地址
 */
void swap(int* a, int* b)
{
    int temp = *b;
    *b       = *a;
    *a       = temp;
}