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排序查找算法

分类: 文章 • 2024-05-02 08:27:58
概述
排序有内部排序和外部排序，内部排序是数据记录在内存中进行排序，而外部排序是因排序的数据很大，一次不能容纳全部的排序记录，在排序过程中需要访问外存。

我们这里说说八大排序就是内部排序。

排序查找算法

    

    当n较大，则应采用时间复杂度为O(nlog2n)的排序方法：快速排序、堆排序或归并排序序。

   快速排序：是目前基于比较的内部排序中被认为是最好的方法，当待排序的关键字是随机分布时，快速排序的平均时间最短；


 

1.插入排序—直接插入排序(Straight Insertion Sort)

基本思想:

将一个记录插入到已排序好的有序表中，从而得到一个新，记录数增1的有序表。即：先将序列的第1个记录看成是一个有序的子序列，然后从第2个记录逐个进行插入，直至整个序列有序为止。

要点：设立哨兵，作为临时存储和判断数组边界之用。

直接插入排序示例：

排序查找算法


如果碰见一个和插入元素相等的，那么插入元素把想插入的元素放在相等元素的后面。所以，相等元素的前后顺序没有改变，从原无序序列出去的顺序就是排好序后的顺序，所以插入排序是稳定的。

算法的实现：

  1. void print(int a[], int n ,int i){  
  2.     cout<<i <<":";  
  3.     for(int j= 0; j<8; j++){  
  4.         cout<<a[j] <<" ";  
  5.     }  
  6.     cout<<endl;  
  7. }  
  8.   
  9.   
  10. void InsertSort(int a[], int n)  
  11. {  
  12.     for(int i= 1; i<n; i++){  
  13.         if(a[i] < a[i-1]){               //若第i个元素大于i-1元素，直接插入。小于的话，移动有序表后插入  
  14.             int j= i-1;   
  15.             int x = a[i];        //复制为哨兵，即存储待排序元素  
  16.             a[i] = a[i-1];           //先后移一个元素  
  17.             while(x < a[j]){  //查找在有序表的插入位置  
  18.                 a[j+1] = a[j];  
  19.                 j--;         //元素后移  
  20.             }  
  21.             a[j+1] = x;      //插入到正确位置  
  22.         }  
  23.         print(a,n,i);           //打印每趟排序的结果  
  24.     }  
  25.       
  26. }  
  27.   
  28. int main(){  
  29.     int a[8] = {3,1,5,7,2,4,9,6};  
  30.     InsertSort(a,8);  
  31.     print(a,8,8);  
  32. }  

效率：

时间复杂度：O（n^2）.

其他的插入排序有二分插入排序，2-路插入排序。

 

 2. 插入排序—希尔排序（Shell`s Sort）

希尔排序是1959 年由D.L.Shell 提出来的，相对直接排序有较大的改进。希尔排序又叫缩小增量排序

基本思想：

先将整个待排序的记录序列分割成为若干子序列分别进行直接插入排序，待整个序列中的记录“基本有序”时，再对全体记录进行依次直接插入排序。

操作方法：

  1. 选择一个增量序列t1，t2，…，tk，其中ti>tj，tk=1；
  2. 按增量序列个数k，对序列进行k 趟排序；
  3. 每趟排序，根据对应的增量ti，将待排序列分割成若干长度为m 的子序列，分别对各子表进行直接插入排序。仅增量因子为1 时，整个序列作为一个表来处理，表长度即为整个序列的长度。

希尔排序的示例：

排序查找算法


算法实现：

 

我们简单处理增量序列：增量序列d = {n/2 ,n/4, n/8 .....1} n为要排序数的个数

即：先将要排序的一组记录按某个增量d（n/2,n为要排序数的个数）分成若干组子序列，每组中记录的下标相差d.对每组中全部元素进行直接插入排序，然后再用一个较小的增量（d/2）对它进行分组，在每组中再进行直接插入排序。继续不断缩小增量直至为1，最后使用直接插入排序完成排序。

  1. void print(int a[], int n ,int i){  
  2.     cout<<i <<":";  
  3.     for(int j= 0; j<8; j++){  
  4.         cout<<a[j] <<" ";  
  5.     }  
  6.     cout<<endl;  
  7. }  
  8. /** 
  9.  * 直接插入排序的一般形式 
  10.  * 
  11.  * @param int dk 缩小增量，如果是直接插入排序，dk=1 
  12.  * 
  13.  */  
  14.   
  15. void ShellInsertSort(int a[], int n, int dk)  
  16. {  
  17.     for(int i= dk; i<n; ++i){  
  18.         if(a[i] < a[i-dk]){          //若第i个元素大于i-1元素，直接插入。小于的话，移动有序表后插入  
  19.             int j = i-dk;     
  20.             int x = a[i];           //复制为哨兵，即存储待排序元素  
  21.             a[i] = a[i-dk];         //首先后移一个元素  
  22.             while(x < a[j]){     //查找在有序表的插入位置  
  23.                 a[j+dk] = a[j];  
  24.                 j -= dk;             //元素后移  
  25.             }  
  26.             a[j+dk] = x;            //插入到正确位置  
  27.         }  
  28.         print(a, n,i );  
  29.     }  
  30.       
  31. }  
  32.   
  33. /** 
  34.  * 先按增量d（n/2,n为要排序数的个数进行希尔排序 
  35.  * 
  36.  */  
  37. void shellSort(int a[], int n){  
  38.   
  39.     int dk = n/2;  
  40.     while( dk >= 1  ){  
  41.         ShellInsertSort(a, n, dk);  
  42.         dk = dk/2;  
  43.     }  
  44. }  
  45. int main(){  
  46.     int a[8] = {3,1,5,7,2,4,9,6};  
  47.     //ShellInsertSort(a,8,1); //直接插入排序  
  48.     shellSort(a,8);           //希尔插入排序  
  49.     print(a,8,8);  
  50. }  

希尔排序时效分析很难，关键码的比较次数与记录移动次数依赖于增量因子序列d的选取，特定情况下可以准确估算出关键码的比较次数和记录的移动次数。目前还没有人给出选取最好的增量因子序列的方法。增量因子序列可以有各种取法，有取奇数的，也有取质数的，但需要注意：增量因子中除1 外没有公因子，且最后一个增量因子必须为1。希尔排序方法是一个不稳定的排序方法。


3. 选择排序—简单选择排序（Simple Selection Sort）

基本思想：

在要排序的一组数中，选出最小（或者最大）的一个数与第1个位置的数交换；然后在剩下的数当中再找最小（或者最大）的与第2个位置的数交换，依次类推，直到第n-1个元素（倒数第二个数）和第n个元素（最后一个数）比较为止。

简单选择排序的示例：

 排序查找算法

操作方法：

第一趟，从n 个记录中找出关键码最小的记录与第一个记录交换；

第二趟，从第二个记录开始的n-1 个记录中再选出关键码最小的记录与第二个记录交换；

以此类推.....

第i 趟，则从第i 个记录开始的n-i+1 个记录中选出关键码最小的记录与第i 个记录交换，

直到整个序列按关键码有序。


算法实现：

  1. void print(int a[], int n ,int i){  
  2.     cout<<"第"<<i+1 <<"趟 : ";  
  3.     for(int j= 0; j<8; j++){  
  4.         cout<<a[j] <<"  ";  
  5.     }  
  6.     cout<<endl;  
  7. }  
  8. /** 
  9.  * 数组的最小值 
  10.  * 
  11.  * @return int 数组的键值 
  12.  */  
  13. int SelectMinKey(int a[], int n, int i)  
  14. {  
  15.     int k = i;  
  16.     for(int j=i+1 ;j< n; ++j) {  
  17.         if(a[k] > a[j]) k = j;  
  18.     }  
  19.     return k;  
  20. }  
  21.   
  22. /** 
  23.  * 选择排序 
  24.  * 
  25.  */  
  26. void selectSort(int a[], int n){  
  27.     int key, tmp;  
  28.     for(int i = 0; i< n; ++i) {  
  29.         key = SelectMinKey(a, n,i);           //选择最小的元素  
  30.         if(key != i){  
  31.             tmp = a[i];  a[i] = a[key]; a[key] = tmp; //最小元素与第i位置元素互换  
  32.         }  
  33.         print(a,  n , i);  
  34.     }  
  35. }  
  36. int main(){  
  37.     int a[8] = {3,1,5,7,2,4,9,6};  
  38.     cout<<"初始值：";  
  39.     for(int j= 0; j<8; j++){  
  40.         cout<<a[j] <<"  ";  
  41.     }  
  42.     cout<<endl<<endl;  
  43.     selectSort(a, 8);  
  44.     print(a,8,8);  
  45. }  

 简单选择排序的改进——二元选择排序

简单选择排序，每趟循环只能确定一个元素排序后的定位。我们可以考虑改进为每趟循环确定两个元素（当前趟最大和最小记录）的位置,从而减少排序所需的循环次数。改进后对n个数据进行排序，最多只需进行[n/2]趟循环即可。具体实现如下：

  1. void SelectSort(int r[],int n) {  
  2.     int i ,j , min ,max, tmp;  
  3.     for (i=1 ;i <= n/2;i++) {    
  4.         // 做不超过n/2趟选择排序   
  5.         min = i; max = i ; //分别记录最大和最小关键字记录位置  
  6.         for (j= i+1; j<= n-i; j++) {  
  7.             if (r[j] > r[max]) {   
  8.                 max = j ; continue ;   
  9.             }    
  10.             if (r[j]< r[min]) {   
  11.                 min = j ;   
  12.             }     
  13.       }    
  14.       //该交换操作还可分情况讨论以提高效率  
  15.       tmp = r[i-1]; r[i-1] = r[min]; r[min] = tmp;  
  16.       tmp = r[n-i]; r[n-i] = r[max]; r[max] = tmp;   
  17.   
  18.     }   
  19. }  

4. 选择排序—堆排序（Heap Sort）

堆排序是一种树形选择排序，是对直接选择排序的有效改进。

基本思想：

堆的定义如下：具有n个元素的序列（k1,k2,...,kn),当且仅当满足

排序查找算法

时称之为堆。由堆的定义可以看出，堆顶元素（即第一个元素）必为最小项（小顶堆）。
若以一维数组存储一个堆，则堆对应一棵完全二叉树，且所有非叶结点的值均不大于(或不小于)其子女的值，根结点（堆顶元素）的值是最小(或最大)的。如：

（a）大顶堆序列：（96, 83,27,38,11,09)

  (b)  小顶堆序列：（12，36，24，85，47，30，53，91）

排序查找算法


初始时把要排序的n个数的序列看作是一棵顺序存储的二叉树（一维数组存储二叉树），调整它们的存储序，使之成为一个堆，将堆顶元素输出，得到n 个元素中最小(或最大)的元素，这时堆的根节点的数最小（或者最大）。然后对前面(n-1)个元素重新调整使之成为堆，输出堆顶元素，得到n 个元素中次小(或次大)的元素。依此类推，直到只有两个节点的堆，并对它们作交换，最后得到有n个节点的有序序列。称这个过程为堆排序。

因此，实现堆排序需解决两个问题：
1. 如何将n 个待排序的数建成堆；
2. 输出堆顶元素后，怎样调整剩余n-1 个元素，使其成为一个新堆。


首先讨论第二个问题：输出堆顶元素后，对剩余n-1元素重新建成堆的调整过程。
调整小顶堆的方法：

1）设有m 个元素的堆，输出堆顶元素后，剩下m-1 个元素。将堆底元素送入堆顶（（最后一个元素与堆顶进行交换），堆被破坏，其原因仅是根结点不满足堆的性质。

2）将根结点与左、右子树中较小元素的进行交换。

3）若与左子树交换：如果左子树堆被破坏，即左子树的根结点不满足堆的性质，则重复方法 （2）.

4）若与右子树交换，如果右子树堆被破坏，即右子树的根结点不满足堆的性质。则重复方法 （2）.

5）继续对不满足堆性质的子树进行上述交换操作，直到叶子结点，堆被建成。

称这个自根结点到叶子结点的调整过程为筛选。如图：

排序查找算法


再讨论对n 个元素初始建堆的过程。
建堆方法：对初始序列建堆的过程，就是一个反复进行筛选的过程。

1）n 个结点的完全二叉树，则最后一个结点是第排序查找算法个结点的子树。

2）筛选从第排序查找算法个结点为根的子树开始，该子树成为堆。

3）之后向前依次对各结点为根的子树进行筛选，使之成为堆，直到根结点。

如图建堆初始过程：无序序列：（49，38，65，97，76，13，27，49）
                              排序查找算法


                              排序查找算法

 

 算法的实现：

从算法描述来看，堆排序需要两个过程，一是建立堆，二是堆顶与堆的最后一个元素交换位置。所以堆排序有两个函数组成。一是建堆的渗透函数，二是反复调用渗透函数实现排序的函数。

  1. void print(int a[], int n){  
  2.     for(int j= 0; j<n; j++){  
  3.         cout<<a[j] <<"  ";  
  4.     }  
  5.     cout<<endl;  
  6. }  
  7.   
  8.   
  9.   
  10. /** 
  11.  * 已知H[s…m]除了H[s] 外均满足堆的定义 
  12.  * 调整H[s],使其成为大顶堆.即将对第s个结点为根的子树筛选,  
  13.  * 
  14.  * @param H是待调整的堆数组 
  15.  * @param s是待调整的数组元素的位置 
  16.  * @param length是数组的长度 
  17.  * 
  18.  */  
  19. void HeapAdjust(int H[],int s, int length)  
  20. {  
  21.     int tmp  = H[s];  
  22.     int child = 2*s+1; //左孩子结点的位置。(i+1 为当前调整结点的右孩子结点的位置)  
  23.     while (child < length) {  
  24.         if(child+1 <length && H[child]<H[child+1]) { // 如果右孩子大于左孩子(找到比当前待调整结点大的孩子结点)  
  25.             ++child ;  
  26.         }  
  27.         if(H[s]<H[child]) {  // 如果较大的子结点大于父结点  
  28.             H[s] = H[child]; // 那么把较大的子结点往上移动，替换它的父结点  
  29.             s = child;       // 重新设置s ,即待调整的下一个结点的位置  
  30.             child = 2*s+1;  
  31.         }  else {            // 如果当前待调整结点大于它的左右孩子，则不需要调整，直接退出  
  32.              break;  
  33.         }  
  34.         H[s] = tmp;         // 当前待调整的结点放到比其大的孩子结点位置上  
  35.     }  
  36.     print(H,length);  
  37. }  
  38.   
  39.   
  40. /** 
  41.  * 初始堆进行调整 
  42.  * 将H[0..length-1]建成堆 
  43.  * 调整完之后第一个元素是序列的最小的元素 
  44.  */  
  45. void BuildingHeap(int H[], int length)  
  46. {   
  47.     //最后一个有孩子的节点的位置 i=  (length -1) / 2  
  48.     for (int i = (length -1) / 2 ; i >= 0; --i)  
  49.         HeapAdjust(H,i,length);  
  50. }  
  51. /** 
  52.  * 堆排序算法 
  53.  */  
  54. void HeapSort(int H[],int length)  
  55. {  
  56.     //初始堆  
  57.     BuildingHeap(H, length);  
  58.     //从最后一个元素开始对序列进行调整  
  59.     for (int i = length - 1; i > 0; --i)  
  60.     {  
  61.         //交换堆顶元素H[0]和堆中最后一个元素  
  62.         int temp = H[i]; H[i] = H[0]; H[0] = temp;  
  63.         //每次交换堆顶元素和堆中最后一个元素之后，都要对堆进行调整  
  64.         HeapAdjust(H,0,i);  
  65.   }  
  66. }   
  67.   
  68. int main(){  
  69.     int H[10] = {3,1,5,7,2,4,9,6,10,8};  
  70.     cout<<"初始值：";  
  71.     print(H,10);  
  72.     HeapSort(H,10);  
  73.     //selectSort(a, 8);  
  74.     cout<<"结果：";  
  75.     print(H,10);  
  76.   
  77. }  


分析:

设树深度为k，排序查找算法。从根到叶的筛选，元素比较次数至多2(k-1)次，交换记录至多k 次。所以，在建好堆后，排序过程中的筛选次数不超过下式： 

                                排序查找算法

而建堆时的比较次数不超过4n 次，因此堆排序最坏情况下，时间复杂度也为：O(nlogn )。

 

5. 交换排序—冒泡排序（Bubble Sort）

基本思想：

在要排序的一组数中，对当前还未排好序的范围内的全部数，自上而下对相邻的两个数依次进行比较和调整，让较大的数往下沉，较小的往上冒。即：每当两相邻的数比较后发现它们的排序与排序要求相反时，就将它们互换。

冒泡排序的示例：

 排序查找算法

算法的实现：

  1. void bubbleSort(int a[], int n){  
  2.     for(int i =0 ; i< n-1; ++i) {  
  3.         for(int j = 0; j < n-i-1; ++j) {  
  4.             if(a[j] > a[j+1])  
  5.             {  
  6.                 int tmp = a[j] ; a[j] = a[j+1] ;  a[j+1] = tmp;  
  7.             }  
  8.         }  
  9.     }  
  10. }  


冒泡排序算法的改进

对冒泡排序常见的改进方法是加入一标志性变量exchange，用于标志某一趟排序过程中是否有数据交换，如果进行某一趟排序时并没有进行数据交换，则说明数据已经按要求排列好，可立即结束排序，避免不必要的比较过程。本文再提供以下两种改进算法：

1．设置一标志性变量pos,用于记录每趟排序中最后一次进行交换的位置。由于pos位置之后的记录均已交换到位,故在进行下一趟排序时只要扫描到pos位置即可。

改进后算法如下:

  1. void Bubble_1 ( int r[], int n) {  
  2.     int i= n -1;  //初始时,最后位置保持不变  
  3.     while ( i> 0) {   
  4.         int pos= 0; //每趟开始时,无记录交换  
  5.         for (int j= 0; j< i; j++)  
  6.             if (r[j]> r[j+1]) {  
  7.                 pos= j; //记录交换的位置   
  8.                 int tmp = r[j]; r[j]=r[j+1];r[j+1]=tmp;  
  9.             }   
  10.         i= pos; //为下一趟排序作准备  
  11.      }   
  12. }    

2．传统冒泡排序中每一趟排序操作只能找到一个最大值或最小值,我们考虑利用在每趟排序中进行正向和反向两遍冒泡的方法一次可以得到两个最终值(最大者和最小者) , 从而使排序趟数几乎减少了一半。

改进后的算法实现为:

  1. void Bubble_2 ( int r[], int n){  
  2.     int low = 0;   
  3.     int high= n -1; //设置变量的初始值  
  4.     int tmp,j;  
  5.     while (low < high) {  
  6.         for (j= low; j< high; ++j) //正向冒泡,找到最大者  
  7.             if (r[j]> r[j+1]) {  
  8.                 tmp = r[j]; r[j]=r[j+1];r[j+1]=tmp;  
  9.             }   
  10.         --high;                 //修改high值, 前移一位  
  11.         for ( j=high; j>low; --j) //反向冒泡,找到最小者  
  12.             if (r[j]<r[j-1]) {  
  13.                 tmp = r[j]; r[j]=r[j-1];r[j-1]=tmp;  
  14.             }  
  15.         ++low;                  //修改low值,后移一位  
  16.     }   
  17. }   

6. 交换排序—快速排序（Quick Sort）

基本思想：

1）选择一个基准元素,通常选择第一个元素或者最后一个元素,

2）通过一趟排序讲待排序的记录分割成独立的两部分，其中一部分记录的元素值均比基准元素值小。另一部分记录的 元素值比基准值大。

3）此时基准元素在其排好序后的正确位置

4）然后分别对这两部分记录用同样的方法继续进行排序，直到整个序列有序。

快速排序的示例：

（a）一趟排序的过程：

排序查找算法

（b）排序的全过程

排序查找算法

算法的实现：

 递归实现：

  1. void print(int a[], int n){  
  2.     for(int j= 0; j<n; j++){  
  3.         cout<<a[j] <<"  ";  
  4.     }  
  5.     cout<<endl;  
  6. }  
  7.   
  8. void swap(int *a, int *b)  
  9. {  
  10.     int tmp = *a;  
  11.     *a = *b;  
  12.     *b = tmp;  
  13. }  
  14.   
  15. int partition(int a[], int low, int high)  
  16. {  
  17.     int privotKey = a[low];                             //基准元素  
  18.     while(low < high){                                   //从表的两端交替地向中间扫描  
  19.         while(low < high  && a[high] >= privotKey) --high;  //从high 所指位置向前搜索，至多到low+1 位置。将比基准元素小的交换到低端  
  20.         swap(&a[low], &a[high]);  
  21.         while(low < high  && a[low] <= privotKey ) ++low;  
  22.         swap(&a[low], &a[high]);  
  23.     }  
  24.     print(a,10);  
  25.     return low;  
  26. }  
  27.   
  28.   
  29. void quickSort(int a[], int low, int high){  
  30.     if(low < high){  
  31.         int privotLoc = partition(a,  low,  high);  //将表一分为二  
  32.         quickSort(a,  low,  privotLoc -1);          //递归对低子表递归排序  
  33.         quickSort(a,   privotLoc + 1, high);        //递归对高子表递归排序  
  34.     }  
  35. }  
  36.   
  37. int main(){  
  38.     int a[10] = {3,1,5,7,2,4,9,6,10,8};  
  39.     cout<<"初始值：";  
  40.     print(a,10);  
  41.     quickSort(a,0,9);  
  42.     cout<<"结果：";  
  43.     print(a,10);  
  44.   
  45. }  


分析：

快速排序是通常被认为在同数量级（O(nlog2n)）的排序方法中平均性能最好的。但若初始序列按关键码有序或基本有序时，快排序反而蜕化为冒泡排序。为改进之，通常以“三者取中法”来选取基准记录，即将排序区间的两个端点与中点三个记录关键码居中的调整为支点记录。快速排序是一个不稳定的排序方法。

 
快速排序的改进

在本改进算法中,只对长度大于k的子序列递归调用快速排序,让原序列基本有序，然后再对整个基本有序序列用插入排序算法排序。实践证明，改进后的算法时间复杂度有所降低，且当k取值为 8 左右时,改进算法的性能最佳。算法思想如下：

  1. void print(int a[], int n){  
  2.     for(int j= 0; j<n; j++){  
  3.         cout<<a[j] <<"  ";  
  4.     }  
  5.     cout<<endl;  
  6. }  
  7.   
  8. void swap(int *a, int *b)  
  9. {  
  10.     int tmp = *a;  
  11.     *a = *b;  
  12.     *b = tmp;  
  13. }  
  14.   
  15. int partition(int a[], int low, int high)  
  16. {  
  17.     int privotKey = a[low];                 //基准元素  
  18.     while(low < high){                   //从表的两端交替地向中间扫描  
  19.         while(low < high  && a[high] >= privotKey) --high; //从high 所指位置向前搜索，至多到low+1 位置。将比基准元素小的交换到低端  
  20.         swap(&a[low], &a[high]);  
  21.         while(low < high  && a[low] <= privotKey ) ++low;  
  22.         swap(&a[low], &a[high]);  
  23.     }  
  24.     print(a,10);  
  25.     return low;  
  26. }  
  27.   
  28.   
  29. void qsort_improve(int r[ ],int low,int high, int k){  
  30.     if( high -low > k ) { //长度大于k时递归, k为指定的数  
  31.         int pivot = partition(r, low, high); // 调用的Partition算法保持不变  
  32.         qsort_improve(r, low, pivot - 1,k);  
  33.         qsort_improve(r, pivot + 1, high,k);  
  34.     }   
  35. }   
  36. void quickSort(int r[], int n, int k){  
  37.     qsort_improve(r,0,n,k);//先调用改进算法Qsort使之基本有序  
  38.   
  39.     //再用插入排序对基本有序序列排序  
  40.     for(int i=1; i<=n;i ++){  
  41.         int tmp = r[i];   
  42.         int j=i-1;  
  43.         while(tmp < r[j]){  
  44.             r[j+1]=r[j]; j=j-1;   
  45.         }  
  46.         r[j+1] = tmp;  
  47.     }   
  48.   
  49. }   
  50.   
  51.   
  52.   
  53. int main(){  
  54.     int a[10] = {3,1,5,7,2,4,9,6,10,8};  
  55.     cout<<"初始值：";  
  56.     print(a,10);  
  57.     quickSort(a,9,4);  
  58.     cout<<"结果：";  
  59.     print(a,10);  
  60.   
  61. }  


7. 归并排序（Merge Sort）


基本思想：

归并（Merge）排序法是将两个（或两个以上）有序表合并成一个新的有序表，即把待排序序列分为若干个子序列，每个子序列是有序的。然后再把有序子序列合并为整体有序序列。

归并排序示例：

 排序查找算法


合并方法：

设r[i…n]由两个有序子表r[i…m]和r[m+1…n]组成，两个子表长度分别为n-i +1、n-m。

  1. j=m+1；k=i；i=i; //置两个子表的起始下标及辅助数组的起始下标
  2. 若i>m 或j>n，转⑷ //其中一个子表已合并完，比较选取结束
  3. //选取r[i]和r[j]较小的存入辅助数组rf
    如果r[i]<r[j]，rf[k]=r[i]； i++； k++； 转⑵
    否则，rf[k]=r[j]； j++； k++； 转⑵
  4. //将尚未处理完的子表中元素存入rf
    如果i<=m，将r[i…m]存入rf[k…n] //前一子表非空
    如果j<=n ,  将r[j…n] 存入rf[k…n] //后一子表非空
  5. 合并结束。
  1. //将r[i…m]和r[m +1 …n]归并到辅助数组rf[i…n]  
  2. void Merge(ElemType *r,ElemType *rf, int i, int m, int n)  
  3. {  
  4.     int j,k;  
  5.     for(j=m+1,k=i; i<=m && j <=n ; ++k){  
  6.         if(r[j] < r[i]) rf[k] = r[j++];  
  7.         else rf[k] = r[i++];  
  8.     }  
  9.     while(i <= m)  rf[k++] = r[i++];  
  10.     while(j <= n)  rf[k++] = r[j++];  
  11. }  


归并的迭代算法


1 个元素的表总是有序的。所以对n 个元素的待排序列，每个元素可看成1 个有序子表。对子表两两合并生成n/2个子表，所得子表除最后一个子表长度可能为1 外，其余子表长度均为2。再进行两两合并，直到生成n 个元素按关键码有序的表。

  1. void print(int a[], int n){  
  2.     for(int j= 0; j<n; j++){  
  3.         cout<<a[j] <<"  ";  
  4.     }  
  5.     cout<<endl;  
  6. }  
  7.   
  8. //将r[i…m]和r[m +1 …n]归并到辅助数组rf[i…n]  
  9. void Merge(ElemType *r,ElemType *rf, int i, int m, int n)  
  10. {  
  11.     int j,k;  
  12.     for(j=m+1,k=i; i<=m && j <=n ; ++k){  
  13.         if(r[j] < r[i]) rf[k] = r[j++];  
  14.         else rf[k] = r[i++];  
  15.     }  
  16.     while(i <= m)  rf[k++] = r[i++];  
  17.     while(j <= n)  rf[k++] = r[j++];  
  18.     print(rf,n+1);  
  19. }  
  20.   
  21. void MergeSort(ElemType *r, ElemType *rf, int lenght)  
  22. {   
  23.     int len = 1;  
  24.     ElemType *q = r ;  
  25.     ElemType *tmp ;  
  26.     while(len < lenght) {  
  27.         int s = len;  
  28.         len = 2 * s ;  
  29.         int i = 0;  
  30.         while(i+ len <lenght){  
  31.             Merge(q, rf,  i, i+ s-1, i+ len-1 ); //对等长的两个子表合并  
  32.             i = i+ len;  
  33.         }  
  34.         if(i + s < lenght){  
  35.             Merge(q, rf,  i, i+ s -1, lenght -1); //对不等长的两个子表合并  
  36.         }  
  37.         tmp = q; q = rf; rf = tmp; //交换q,rf，以保证下一趟归并时，仍从q 归并到rf  
  38.     }  
  39. }  
  40.   
  41.   
  42. int main(){  
  43.     int a[10] = {3,1,5,7,2,4,9,6,10,8};  
  44.     int b[10];  
  45.     MergeSort(a, b, 10);  
  46.     print(b,10);  
  47.     cout<<"结果：";  
  48.     print(a,10);  
  49.   
  50. }  

两路归并的递归算法

  1. void MSort(ElemType *r, ElemType *rf,int s, int t)  
  2. {   
  3.     ElemType *rf2;  
  4.     if(s==t) r[s] = rf[s];  
  5.     else  
  6.     {   
  7.         int m=(s+t)/2;          /*平分*p 表*/  
  8.         MSort(r, rf2, s, m);        /*递归地将p[s…m]归并为有序的p2[s…m]*/  
  9.         MSort(r, rf2, m+1, t);      /*递归地将p[m+1…t]归并为有序的p2[m+1…t]*/  
  10.         Merge(rf2, rf, s, m+1,t);   /*将p2[s…m]和p2[m+1…t]归并到p1[s…t]*/  
  11.     }  
  12. }  
  13. void MergeSort_recursive(ElemType *r, ElemType *rf, int n)  
  14. {   /*对顺序表*p 作归并排序*/  
  15.     MSort(r, rf,0, n-1);  
  16. }  

8. 桶排序/基数排序(Radix Sort)

说基数排序之前，我们先说桶排序：

基本思想：是将阵列分到有限数量的桶子里。每个桶子再个别排序（有可能再使用别的排序算法或是以递回方式继续使用桶排序进行排序）。桶排序是鸽巢排序的一种归纳结果。当要被排序的阵列内的数值是均匀分配的时候，桶排序使用线性时间（Θ（n））。但桶排序并不是 比较排序，他不受到 O(n log n) 下限的影响。
         简单来说，就是把数据分组，放在一个个的桶中，然后对每个桶里面的在进行排序。  

 例如要对大小为[1..1000]范围内的n个整数A[1..n]排序  

 首先，可以把桶设为大小为10的范围，具体而言，设集合B[1]存储[1..10]的整数，集合B[2]存储   (10..20]的整数，……集合B[i]存储(   (i-1)*10,   i*10]的整数，i   =   1,2,..100。总共有  100个桶。  

  然后，对A[1..n]从头到尾扫描一遍，把每个A[i]放入对应的桶B[j]中。  再对这100个桶中每个桶里的数字排序，这时可用冒泡，选择，乃至快排，一般来说任  何排序法都可以。

  最后，依次输出每个桶里面的数字，且每个桶中的数字从小到大输出，这  样就得到所有数字排好序的一个序列了。  

  假设有n个数字，有m个桶，如果数字是平均分布的，则每个桶里面平均有n/m个数字。如果  

  对每个桶中的数字采用快速排序，那么整个算法的复杂度是  

  O(n   +   m   *   n/m*log(n/m))   =   O(n   +   nlogn   -   nlogm)  

  从上式看出，当m接近n的时候，桶排序复杂度接近O(n)  

  当然，以上复杂度的计算是基于输入的n个数字是平均分布这个假设的。这个假设是很强的  ，实际应用中效果并没有这么好。如果所有的数字都落在同一个桶中，那就退化成一般的排序了。  

        前面说的几大排序算法 ，大部分时间复杂度都是O（n2），也有部分排序算法时间复杂度是O(nlogn)。而桶式排序却能实现O（n）的时间复杂度。但桶排序的缺点是：

        1）首先是空间复杂度比较高，需要的额外开销大。排序有两个数组的空间开销，一个存放待排序数组，一个就是所谓的桶，比如待排序值是从0到m-1，那就需要m个桶，这个桶数组就要至少m个空间。

        2）其次待排序的元素都要在一定的范围内等等。

       桶式排序是一种分配排序。分配排序的特定是不需要进行关键码的比较，但前提是要知道待排序列的一些具体情况。


分配排序的基本思想：说白了就是进行多次的桶式排序。

基数排序过程无须比较关键字，而是通过“分配”和“收集”过程来实现排序。它们的时间复杂度可达到线性阶：O(n)。

实例:

扑克牌中52 张牌，可按花色和面值分成两个字段，其大小关系为：
花色： 梅花< 方块< 红心< 黑心  排序查找算法
面值： 2 < 3 < 4 < 5 < 6 < 7 < 8 < 9 < 10 < J < Q < K < A

若对扑克牌按花色、面值进行升序排序，得到如下序列：
排序查找算法

排序查找算法


即两张牌，若花色不同，不论面值怎样，花色低的那张牌小于花色高的，只有在同花色情况下，大小关系才由面值的大小确定。这就是多关键码排序。

为得到排序结果，我们讨论两种排序方法。
方法1：先对花色排序，将其分为4 个组，即梅花组、方块组、红心组、黑心组。再对每个组分别按面值进行排序，最后，将4 个组连接起来即可。
方法2：先按13 个面值给出13 个编号组(2 号，3 号，...，A 号)，将牌按面值依次放入对应的编号组，分成13 堆。再按花色给出4 个编号组(梅花、方块、红心、黑心)，将2号组中牌取出分别放入对应花色组，再将3 号组中牌取出分别放入对应花色组，……，这样，4 个花色组中均按面值有序，然后，将4 个花色组依次连接起来即可。

设n 个元素的待排序列包含d 个关键码{k1，k2，…，kd}，则称序列对关键码{k1，k2，…，kd}有序是指：对于序列中任两个记录r[i]和r[j](1≤i≤j≤n)都满足下列有序关系：

                                                               排序查找算法

其中k1 称为最主位关键码，kd 称为最次位关键码     。

 

两种多关键码排序方法：

多关键码排序按照从最主位关键码到最次位关键码或从最次位到最主位关键码的顺序逐次排序，分两种方法：

最高位优先(Most Significant Digit first)法，简称MSD 法：

1）先按k1 排序分组，将序列分成若干子序列，同一组序列的记录中，关键码k1 相等。

2）再对各组按k2 排序分成子组，之后，对后面的关键码继续这样的排序分组，直到按最次位关键码kd 对各子组排序后。

3）再将各组连接起来，便得到一个有序序列。扑克牌按花色、面值排序中介绍的方法一即是MSD 法。

最低位优先(Least Significant Digit first)法，简称LSD 法：

1) 先从kd 开始排序，再对kd-1进行排序，依次重复，直到按k1排序分组分成最小的子序列后。

2) 最后将各个子序列连接起来，便可得到一个有序的序列, 扑克牌按花色、面值排序中介绍的方法二即是LSD 法。


基于LSD方法的链式基数排序的基本思想

　　“多关键字排序”的思想实现“单关键字排序”。对数字型或字符型的单关键字，可以看作由多个数位或多个字符构成的多关键字，此时可以采用“分配-收集”的方法进行排序，这一过程称作基数排序法，其中每个数字或字符可能的取值个数称为基数。比如，扑克牌的花色基数为4，面值基数为13。在整理扑克牌时，既可以先按花色整理，也可以先按面值整理。按花色整理时，先按红、黑、方、花的顺序分成4摞（分配），再按此顺序再叠放在一起（收集），然后按面值的顺序分成13摞（分配），再按此顺序叠放在一起（收集），如此进行二次分配和收集即可将扑克牌排列有序。   

基数排序:

是按照低位先排序，然后收集；再按照高位排序，然后再收集；依次类推，直到最高位。有时候有些属性是有优先级顺序的，先按低优先级排序，再按高优先级排序。最后的次序就是高优先级高的在前，高优先级相同的低优先级高的在前。基数排序基于分别排序，分别收集，所以是稳定的。

算法实现：

  1. Void RadixSort(Node L[],length,maxradix)  
  2. {  
  3.    int m,n,k,lsp;  
  4.    k=1;m=1;  
  5.    int temp[10][length-1];  
  6.    Empty(temp); //清空临时空间  
  7.    while(k<maxradix) //遍历所有关键字  
  8.    {  
  9.      for(int i=0;i<length;i++) //分配过程  
  10.     {  
  11.        if(L[i]<m)  
  12.           Temp[0][n]=L[i];  
  13.        else  
  14.           Lsp=(L[i]/m)%10; //确定关键字  
  15.        Temp[lsp][n]=L[i];  
  16.        n++;  
  17.    }  
  18.    CollectElement(L,Temp); //收集  
  19.    n=0;  
  20.    m=m*10;  
  21.   k++;  
  22.  }  
  23. }  





总结

各种排序的稳定性，时间复杂度和空间复杂度总结：

排序查找算法

 我们比较时间复杂度函数的情况：

排序查找算法


                             时间复杂度函数O(n)的增长情况

排序查找算法

所以对n较大的排序记录。一般的选择都是时间复杂度为O(nlog2n)的排序方法。


时间复杂度来说：

(1)平方阶(O(n2))排序
　　各类简单排序:直接插入、直接选择和冒泡排序；
 (2)线性对数阶(O(nlog2n))排序
　　快速排序、堆排序和归并排序；
 (3)O(n1+§))排序,§是介于0和1之间的常数。

       希尔排序
(4)线性阶(O(n))排序
　　基数排序，此外还有桶、箱排序。

说明：

当原表有序或基本有序时，直接插入排序和冒泡排序将大大减少比较次数和移动记录的次数，时间复杂度可降至O（n）；

而快速排序则相反，当原表基本有序时，将蜕化为冒泡排序，时间复杂度提高为O（n2）；

原表是否有序，对简单选择排序、堆排序、归并排序和基数排序的时间复杂度影响不大。

 

稳定性：

排序算法的稳定性:若待排序的序列中，存在多个具有相同关键字的记录，经过排序， 这些记录的相对次序保持不变，则称该算法是稳定的；若经排序后，记录的相对 次序发生了改变，则称该算法是不稳定的。 
     稳定性的好处：排序算法如果是稳定的，那么从一个键上排序，然后再从另一个键上排序，第一个键排序的结果可以为第二个键排序所用。基数排序就是这样，先按低位排序，逐次按高位排序，低位相同的元素其顺序再高位也相同时是不会改变的。另外，如果排序算法稳定，可以避免多余的比较；

稳定的排序算法：冒泡排序、插入排序、归并排序和基数排序

不是稳定的排序算法：选择排序、快速排序、希尔排序、堆排序

 

选择排序算法准则：

每种排序算法都各有优缺点。因此，在实用时需根据不同情况适当选用，甚至可以将多种方法结合起来使用。

选择排序算法的依据

影响排序的因素有很多，平均时间复杂度低的算法并不一定就是最优的。相反，有时平均时间复杂度高的算法可能更适合某些特殊情况。同时，选择算法时还得考虑它的可读性，以利于软件的维护。一般而言，需要考虑的因素有以下四点：

1．待排序的记录数目n的大小；

2．记录本身数据量的大小，也就是记录中除关键字外的其他信息量的大小；

3．关键字的结构及其分布情况；

4．对排序稳定性的要求。

设待排序元素的个数为n.

1）当n较大，则应采用时间复杂度为O(nlog2n)的排序方法：快速排序、堆排序或归并排序序。

   快速排序：是目前基于比较的内部排序中被认为是最好的方法，当待排序的关键字是随机分布时，快速排序的平均时间最短；
       堆排序 ：  如果内存空间允许且要求稳定性的，

       归并排序：它有一定数量的数据移动，所以我们可能过与插入排序组合，先获得一定长度的序列，然后再合并，在效率上将有所提高。

2）  当n较大，内存空间允许，且要求稳定性 =》归并排序

3）当n较小，可采用直接插入或直接选择排序。

    直接插入排序：当元素分布有序，直接插入排序将大大减少比较次数和移动记录的次数。

    直接选择排序 ：元素分布有序，如果不要求稳定性，选择直接选择排序

5）一般不使用或不直接使用传统的冒泡排序。

6）基数排序
它是一种稳定的排序算法，但有一定的局限性：
　　1、关键字可分解。
　　2、记录的关键字位数较少，如果密集更好
　　3、如果是数字时，最好是无符号的，否则将增加相应的映射复杂度，可先将其正负分开排序。

七大查找算法

　　查找是在大量的信息中寻找一个特定的信息元素，在计算机应用中，查找是常用的基本运算，例如编译程序中符号表的查找。本文简单概括性的介绍了常见的七种查找算法，说是七种，其实二分查找、插值查找以及斐波那契查找都可以归为一类——插值查找。插值查找和斐波那契查找是在二分查找的基础上的优化查找算法。树表查找和哈希查找会在后续的博文中进行详细介绍。

　　查找定义：根据给定的某个值，在查找表中确定一个其关键字等于给定值的数据元素（或记录）。

　　查找算法分类：
　　1）静态查找和动态查找；
　　　　注：静态或者动态都是针对查找表而言的。动态表指查找表中有删除和插入操作的表。
　　2）无序查找和有序查找。
　　　　无序查找：被查找数列有序无序均可；
　　　　有序查找：被查找数列必须为有序数列。
　　平均查找长度（Average Search Length，ASL）：需和指定key进行比较的关键字的个数的期望值，称为查找算法在查找成功时的平均查找长度。
　　对于含有n个数据元素的查找表，查找成功的平均查找长度为：ASL = Pi*Ci的和。
　　Pi：查找表中第i个数据元素的概率。
　　Ci：找到第i个数据元素时已经比较过的次数。

1. 顺序查找

　　说明：顺序查找适合于存储结构为顺序存储或链接存储的线性表。
　　基本思想：顺序查找也称为线形查找，属于无序查找算法。从数据结构线形表的一端开始，顺序扫描，依次将扫描到的结点关键字与给定值k相比较，若相等则表示查找成功；若扫描结束仍没有找到关键字等于k的结点，表示查找失败。
　　复杂度分析：　
　　查找成功时的平均查找长度为：（假设每个数据元素的概率相等） ASL = 1/n(1+2+3+…+n) = (n+1)/2 ;
　　当查找不成功时，需要n+1次比较，时间复杂度为O(n);
　　所以，顺序查找的时间复杂度为O(n)。
　　C++实现源码：
排序查找算法
排序查找算法
//顺序查找
int SequenceSearch(int a[], int value, int n)
{
    int i;
    for(i=0; i<n; i++)
        if(a[i]==value)
            return i;
    return -1;
}
排序查找算法
排序查找算法

2. 二分查找

　　说明：元素必须是有序的，如果是无序的则要先进行排序操作。

　　基本思想：也称为是折半查找，属于有序查找算法。用给定值k先与中间结点的关键字比较，中间结点把线形表分成两个子表，若相等则查找成功；若不相等，再根据k与该中间结点关键字的比较结果确定下一步查找哪个子表，这样递归进行，直到查找到或查找结束发现表中没有这样的结点。

　　复杂度分析：最坏情况下，关键词比较次数为log2(n+1)，且期望时间复杂度为O(log2n)；

　　注：折半查找的前提条件是需要有序表顺序存储，对于静态查找表，一次排序后不再变化，折半查找能得到不错的效率。但对于需要频繁执行插入或删除操作的数据集来说，维护有序的排序会带来不小的工作量，那就不建议使用。——《大话数据结构》

　　C++实现源码：

排序查找算法
排序查找算法
//二分查找（折半查找），版本1
int BinarySearch1(int a[], int value, int n)
{
    int low, high, mid;
    low = 0;
    high = n-1;
    while(low<=high)
    {
        mid = (low+high)/2;
        if(a[mid]==value)
            return mid;
        if(a[mid]>value)
            high = mid-1;
        if(a[mid]<value)
            low = mid+1;
    }
    return -1;
}

//二分查找，递归版本
int BinarySearch2(int a[], int value, int low, int high)
{
    int mid = low+(high-low)/2;
    if(a[mid]==value)
        return mid;
    if(a[mid]>value)
        return BinarySearch2(a, value, low, mid-1);
    if(a[mid]<value)
        return BinarySearch2(a, value, mid+1, high);
}
排序查找算法
排序查找算法

3. 插值查找

　　在介绍插值查找之前，首先考虑一个新问题，为什么上述算法一定要是折半，而不是折四分之一或者折更多呢？
　　打个比方，在英文字典里面查“apple”，你下意识翻开字典是翻前面的书页还是后面的书页呢？如果再让你查“zoo”，你又怎么查？很显然，这里你绝对不会是从中间开始查起，而是有一定目的的往前或往后翻。
　　同样的，比如要在取值范围1 ~ 10000 之间 100 个元素从小到大均匀分布的数组中查找5， 我们自然会考虑从数组下标较小的开始查找。
　　经过以上分析，折半查找这种查找方式，不是自适应的（也就是说是傻瓜式的）。二分查找中查找点计算如下：
　　mid=(low+high)/2, 即mid=low+1/2*(high-low);
　　通过类比，我们可以将查找的点改进为如下：
　　mid=low+(key-a[low])/(a[high]-a[low])*(high-low)，
　　也就是将上述的比例参数1/2改进为自适应的，根据关键字在整个有序表中所处的位置，让mid值的变化更靠近关键字key，这样也就间接地减少了比较次数。
　　基本思想：基于二分查找算法，将查找点的选择改进为自适应选择，可以提高查找效率。当然，差值查找也属于有序查找。
　　注：对于表长较大，而关键字分布又比较均匀的查找表来说，插值查找算法的平均性能比折半查找要好的多。反之，数组中如果分布非常不均匀，那么插值查找未必是很合适的选择。
　　复杂度分析：查找成功或者失败的时间复杂度均为O(log2(log2n))。
　　C++实现源码：
排序查找算法
排序查找算法
//插值查找
int InsertionSearch(int a[], int value, int low, int high)
{
    int mid = low+(value-a[low])/(a[high]-a[low])*(high-low);
    if(a[mid]==value)
        return mid;
    if(a[mid]>value)
        return InsertionSearch(a, value, low, mid-1);
    if(a[mid]<value)
        return InsertionSearch(a, value, mid+1, high);
}
排序查找算法
排序查找算法

4. 斐波那契查找

　　在介绍斐波那契查找算法之前，我们先介绍一下很它紧密相连并且大家都熟知的一个概念——黄金分割。

　　黄金比例又称黄金分割，是指事物各部分间一定的数学比例关系，即将整体一分为二，较大部分与较小部分之比等于整体与较大部分之比，其比值约为1:0.618或1.618:1。

　　0.618被公认为最具有审美意义的比例数字，这个数值的作用不仅仅体现在诸如绘画、雕塑、音乐、建筑等艺术领域，而且在管理、工程设计等方面也有着不可忽视的作用。因此被称为黄金分割。

　　大家记不记得斐波那契数列：1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89…….（从第三个数开始，后边每一个数都是前两个数的和）。然后我们会发现，随着斐波那契数列的递增，前后两个数的比值会越来越接近0.618，利用这个特性，我们就可以将黄金比例运用到查找技术中。

排序查找算法

　　基本思想：也是二分查找的一种提升算法，通过运用黄金比例的概念在数列中选择查找点进行查找，提高查找效率。同样地，斐波那契查找也属于一种有序查找算法。
　　相对于折半查找，一般将待比较的key值与第mid=（low+high）/2位置的元素比较，比较结果分三种情况：

　　1）相等，mid位置的元素即为所求

　　2）>，low=mid+1;

     3）<，high=mid-1。

　　斐波那契查找与折半查找很相似，他是根据斐波那契序列的特点对有序表进行分割的。他要求开始表中记录的个数为某个斐波那契数小1，及n=F(k)-1;

 开始将k值与第F(k-1)位置的记录进行比较(及mid=low+F(k-1)-1),比较结果也分为三种

　　1）相等，mid位置的元素即为所求

　　2）>，low=mid+1,k-=2;

　　说明：low=mid+1说明待查找的元素在[mid+1,high]范围内，k-=2 说明范围[mid+1,high]内的元素个数为n-(F(k-1))= Fk-1-F(k-1)=Fk-F(k-1)-1=F(k-2)-1个，所以可以递归的应用斐波那契查找。

　　3）<，high=mid-1,k-=1。

　　说明：low=mid+1说明待查找的元素在[low,mid-1]范围内，k-=1 说明范围[low,mid-1]内的元素个数为F(k-1)-1个，所以可以递归 的应用斐波那契查找。

　　复杂度分析：最坏情况下，时间复杂度为O(log2n)，且其期望复杂度也为O(log2n)。

　　C++实现源码：

排序查找算法
排序查找算法
// 斐波那契查找.cpp 

#include "stdafx.h"
#include <memory>
#include  <iostream>
using namespace std;

const int max_size=20;//斐波那契数组的长度

/*构造一个斐波那契数组*/ 
void Fibonacci(int * F)
{
    F[0]=0;
    F[1]=1;
    for(int i=2;i<max_size;++i)
        F[i]=F[i-1]+F[i-2];
}

/*定义斐波那契查找法*/  
int FibonacciSearch(int *a, int n, int key)  //a为要查找的数组,n为要查找的数组长度,key为要查找的关键字
{
  int low=0;
  int high=n-1;
  
  int F[max_size];
  Fibonacci(F);//构造一个斐波那契数组F 

  int k=0;
  while(n>F[k]-1)//计算n位于斐波那契数列的位置
      ++k;

  int  * temp;//将数组a扩展到F[k]-1的长度
  temp=new int [F[k]-1];
  memcpy(temp,a,n*sizeof(int));

  for(int i=n;i<F[k]-1;++i)
     temp[i]=a[n-1];
  
  while(low<=high)
  {
    int mid=low+F[k-1]-1;
    if(key<temp[mid])
    {
      high=mid-1;
      k-=1;
    }
    else if(key>temp[mid])
    {
     low=mid+1;
     k-=2;
    }
    else
    {
       if(mid<n)
           return mid; //若相等则说明mid即为查找到的位置
       else
           return n-1; //若mid>=n则说明是扩展的数值,返回n-1
    }
  }  
  delete [] temp;
  return -1;
}

int main()
{
    int a[] = {0,16,24,35,47,59,62,73,88,99};
    int key=100;
    int index=FibonacciSearch(a,sizeof(a)/sizeof(int),key);
    cout<<key<<" is located at:"<<index;
    return 0;
}
排序查找算法
排序查找算法

5. 树表查找

　　5.1 最简单的树表查找算法——二叉树查找算法。

　　基本思想：二叉查找树是先对待查找的数据进行生成树，确保树的左分支的值小于右分支的值，然后在就行和每个节点的父节点比较大小，查找最适合的范围。 这个算法的查找效率很高，但是如果使用这种查找方法要首先创建树。 

　　二叉查找树（BinarySearch Tree，也叫二叉搜索树，或称二叉排序树Binary Sort Tree）或者是一棵空树，或者是具有下列性质的二叉树：

　　1）若任意节点的左子树不空，则左子树上所有结点的值均小于它的根结点的值；

　　2）若任意节点的右子树不空，则右子树上所有结点的值均大于它的根结点的值；

　　3）任意节点的左、右子树也分别为二叉查找树。

　　二叉查找树性质：对二叉查找树进行中序遍历，即可得到有序的数列。

　　不同形态的二叉查找树如下图所示：

排序查找算法

 　　有关二叉查找树的查找、插入、删除等操作的详细讲解，请移步浅谈算法和数据结构: 七 二叉查找树。

　　复杂度分析：它和二分查找一样，插入和查找的时间复杂度均为O(logn)，但是在最坏的情况下仍然会有O(n)的时间复杂度。原因在于插入和删除元素的时候，树没有保持平衡（比如，我们查找上图（b）中的“93”，我们需要进行n次查找操作）。我们追求的是在最坏的情况下仍然有较好的时间复杂度，这就是平衡查找树设计的初衷。

　　下图为二叉树查找和顺序查找以及二分查找性能的对比图：

排序查找算法

 

　　基于二叉查找树进行优化，进而可以得到其他的树表查找算法，如平衡树、红黑树等高效算法。

　　5.2 平衡查找树之2-3查找树（2-3 Tree）

　　2-3查找树定义：和二叉树不一样，2-3树运行每个节点保存1个或者两个的值。对于普通的2节点(2-node)，他保存1个key和左右两个自己点。对应3节点(3-node)，保存两个Key，2-3查找树的定义如下：

　　1）要么为空，要么：

　　2）对于2节点，该节点保存一个key及对应value，以及两个指向左右节点的节点，左节点也是一个2-3节点，所有的值都比key要小，右节点也是一个2-3节点，所有的值比key要大。

　　3）对于3节点，该节点保存两个key及对应value，以及三个指向左中右的节点。左节点也是一个2-3节点，所有的值均比两个key中的最小的key还要小；中间节点也是一个2-3节点，中间节点的key值在两个跟节点key值之间；右节点也是一个2-3节点，节点的所有key值比两个key中的最大的key还要大。

排序查找算法

　　2-3查找树的性质：

　　1）如果中序遍历2-3查找树，就可以得到排好序的序列；

　　2）在一个完全平衡的2-3查找树中，根节点到每一个为空节点的距离都相同。（这也是平衡树中“平衡”一词的概念，根节点到叶节点的最长距离对应于查找算法的最坏情况，而平衡树中根节点到叶节点的距离都一样，最坏情况也具有对数复杂度。）

　　性质2）如下图所示：

排序查找算法

 

　　复杂度分析：

　　2-3树的查找效率与树的高度是息息相关的。

  • 在最坏的情况下，也就是所有的节点都是2-node节点，查找效率为lgN
  • 在最好的情况下，所有的节点都是3-node节点，查找效率为log3N约等于0.631lgN

　　距离来说，对于1百万个节点的2-3树，树的高度为12-20之间，对于10亿个节点的2-3树，树的高度为18-30之间。

　　对于插入来说，只需要常数次操作即可完成，因为他只需要修改与该节点关联的节点即可，不需要检查其他节点，所以效率和查找类似。下面是2-3查找树的效率：

排序查找算法

 

　　5.3 平衡查找树之红黑树（Red-Black Tree）

　　2-3查找树能保证在插入元素之后能保持树的平衡状态，最坏情况下即所有的子节点都是2-node，树的高度为lgn，从而保证了最坏情况下的时间复杂度。但是2-3树实现起来比较复杂，于是就有了一种简单实现2-3树的数据结构，即红黑树（Red-Black Tree）。

　　基本思想：红黑树的思想就是对2-3查找树进行编码，尤其是对2-3查找树中的3-nodes节点添加额外的信息。红黑树中将节点之间的链接分为两种不同类型，红色链接，他用来链接两个2-nodes节点来表示一个3-nodes节点。黑色链接用来链接普通的2-3节点。特别的，使用红色链接的两个2-nodes来表示一个3-nodes节点，并且向左倾斜，即一个2-node是另一个2-node的左子节点。这种做法的好处是查找的时候不用做任何修改，和普通的二叉查找树相同。

排序查找算法

　　红黑树的定义：

　　红黑树是一种具有红色和黑色链接的平衡查找树，同时满足：

  • 红色节点向左倾斜
  • 一个节点不可能有两个红色链接
  • 整个树完全黑色平衡，即从根节点到所以叶子结点的路径上，黑色链接的个数都相同。

　　下图可以看到红黑树其实是2-3树的另外一种表现形式：如果我们将红色的连线水平绘制，那么他链接的两个2-node节点就是2-3树中的一个3-node节点了。

排序查找算法

　　红黑树的性质：整个树完全黑色平衡，即从根节点到所以叶子结点的路径上，黑色链接的个数都相同（2-3树的第2）性质，从根节点到叶子节点的距离都相等）。

　　复杂度分析：最坏的情况就是，红黑树中除了最左侧路径全部是由3-node节点组成，即红黑相间的路径长度是全黑路径长度的2倍。

　　下图是一个典型的红黑树，从中可以看到最长的路径(红黑相间的路径)是最短路径的2倍：

排序查找算法

　　红黑树的平均高度大约为logn。

　　下图是红黑树在各种情况下的时间复杂度，可以看出红黑树是2-3查找树的一种实现，它能保证最坏情况下仍然具有对数的时间复杂度。

排序查找算法

　　红黑树这种数据结构应用十分广泛，在多种编程语言中被用作符号表的实现，如：

  • Java中的java.util.TreeMap,java.util.TreeSet；
  • C++ STL中的：map,multimap,multiset；
  • .NET中的：SortedDictionary,SortedSet 等。

　　5.4 B树和B+树（B Tree/B+ Tree）

　　平衡查找树中的2-3树以及其实现红黑树。2-3树种，一个节点最多有2个key，而红黑树则使用染色的方式来标识这两个key。

　　*对B树的定义为“在计算机科学中，B树（B-tree）是一种树状数据结构，它能够存储数据、对其进行排序并允许以O(log n)的时间复杂度运行进行查找、顺序读取、插入和删除的数据结构。B树，概括来说是一个节点可以拥有多于2个子节点的二叉查找树。与自平衡二叉查找树不同，B树为系统最优化大块数据的读和写操作。B-tree算法减少定位记录时所经历的中间过程，从而加快存取速度。普遍运用在数据库和文件系统。

　　B树定义：

　　B树可以看作是对2-3查找树的一种扩展，即他允许每个节点有M-1个子节点。

  • 根节点至少有两个子节点

  • 每个节点有M-1个key，并且以升序排列

  • 位于M-1和M key的子节点的值位于M-1 和M key对应的Value之间

  • 其它节点至少有M/2个子节点

　　下图是一个M=4 阶的B树:

排序查找算法

　　可以看到B树是2-3树的一种扩展，他允许一个节点有多于2个的元素。B树的插入及平衡化操作和2-3树很相似，这里就不介绍了。下面是往B树中依次插入

6 10 4 14 5 11 15 3 2 12 1 7 8 8 6 3 6 21 5 15 15 6 32 23 45 65 7 8 6 5 4

的演示动画：

排序查找算法

　　B+树定义：

　　B+树是对B树的一种变形树，它与B树的差异在于：

  • 有k个子结点的结点必然有k个关键码；
  • 非叶结点仅具有索引作用，跟记录有关的信息均存放在叶结点中。
  • 树的所有叶结点构成一个有序链表，可以按照关键码排序的次序遍历全部记录。

　　如下图，是一个B+树:

排序查找算法

 

　　下图是B+树的插入动画：

 排序查找算法

　　B和B+树的区别在于，B+树的非叶子结点只包含导航信息，不包含实际的值，所有的叶子结点和相连的节点使用链表相连，便于区间查找和遍历。

　　B+ 树的优点在于：

  • 由于B+树在内部节点上不好含数据信息，因此在内存页中能够存放更多的key。 数据存放的更加紧密，具有更好的空间局部性。因此访问叶子几点上关联的数据也具有更好的缓存命中率。
  • B+树的叶子结点都是相链的，因此对整棵树的便利只需要一次线性遍历叶子结点即可。而且由于数据顺序排列并且相连，所以便于区间查找和搜索。而B树则需要进行每一层的递归遍历。相邻的元素可能在内存中不相邻，所以缓存命中性没有B+树好。

　　但是B树也有优点，其优点在于，由于B树的每一个节点都包含key和value，因此经常访问的元素可能离根节点更近，因此访问也更迅速。

　　下面是B 树和B+树的区别图：

排序查找算法

　　B/B+树常用于文件系统和数据库系统中，它通过对每个节点存储个数的扩展，使得对连续的数据能够进行较快的定位和访问，能够有效减少查找时间，提高存储的空间局部性从而减少IO操作。它广泛用于文件系统及数据库中，如：

  • Windows：HPFS文件系统；
  • Mac：HFS，HFS+文件系统；
  • Linux：ResiserFS，XFS，Ext3FS，JFS文件系统；
  • 数据库：ORACLE，MYSQL，SQLSERVER等中。

　　有关B/B+树在数据库索引中的应用，请看张洋的MySQL索引背后的数据结构及算法原理这篇文章，这篇文章对MySQL中的如何使用B+树进行索引有比较详细的介绍，推荐阅读。

　　树表查找总结：

　　二叉查找树平均查找性能不错，为O(logn)，但是最坏情况会退化为O(n)。在二叉查找树的基础上进行优化，我们可以使用平衡查找树。平衡查找树中的2-3查找树，这种数据结构在插入之后能够进行自平衡操作，从而保证了树的高度在一定的范围内进而能够保证最坏情况下的时间复杂度。但是2-3查找树实现起来比较困难，红黑树是2-3树的一种简单高效的实现，他巧妙地使用颜色标记来替代2-3树中比较难处理的3-node节点问题。红黑树是一种比较高效的平衡查找树，应用非常广泛，很多编程语言的内部实现都或多或少的采用了红黑树。

　　除此之外，2-3查找树的另一个扩展——B/B+平衡树，在文件系统和数据库系统中有着广泛的应用。

6. 分块查找

　　分块查找又称索引顺序查找，它是顺序查找的一种改进方法。
　　算法思想：将n个数据元素"按块有序"划分为m块（m ≤ n）。每一块中的结点不必有序，但块与块之间必须"按块有序"；即第1块中任一元素的关键字都必须小于第2块中任一元素的关键字；而第2块中任一元素又都必须小于第3块中的任一元素，……
　　算法流程：
　　step1 先选取各块中的最大关键字构成一个索引表；
　　step2 查找分两个部分：先对索引表进行二分查找或顺序查找，以确定待查记录在哪一块中；然后，在已确定的块中用顺序法进行查找。

7. 哈希查找

　　什么是哈希表（Hash）？

　　我们使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数（哈希函数， 也叫做散列函数），使得每个元素的关键字都与一个函数值（即数组下标）相对应，于是用这个数组单元来存储这个元素；也可以简单的理解为，按照关键字为每一个元素"分类"，然后将这个元素存储在相应"类"所对应的地方。但是，不能够保证每个元素的关键字与函数值是一一对应的，因此极有可能出现对于不同的元素，却计算出了相同的函数值，这样就产生了"冲突"，换句话说，就是把不同的元素分在了相同的"类"之中。后面我们将看到一种解决"冲突"的简便做法。
　　总的来说，"直接定址"与"解决冲突"是哈希表的两大特点。

　　什么是哈希函数？

　　哈希函数的规则是：通过某种转换关系，使关键字适度的分散到指定大小的的顺序结构中，越分散，则以后查找的时间复杂度越小，空间复杂度越高。

　　算法思想：哈希的思路很简单，如果所有的键都是整数，那么就可以使用一个简单的无序数组来实现：将键作为索引，值即为其对应的值，这样就可以快速访问任意键的值。这是对于简单的键的情况，我们将其扩展到可以处理更加复杂的类型的键。

　　算法流程：

　　1）用给定的哈希函数构造哈希表；
　　2）根据选择的冲突处理方法解决地址冲突；
　　　　常见的解决冲突的方法：拉链法和线性探测法。详细的介绍可以参见：浅谈算法和数据结构: 十一 哈希表。
　　3）在哈希表的基础上执行哈希查找。
　　哈希表是一个在时间和空间上做出权衡的经典例子。如果没有内存限制，那么可以直接将键作为数组的索引。那么所有的查找时间复杂度为O(1)；如果没有时间限制，那么我们可以使用无序数组并进行顺序查找，这样只需要很少的内存。哈希表使用了适度的时间和空间来在这两个极端之间找到了平衡。只需要调整哈希函数算法即可在时间和空间上做出取舍。

　　复杂度分析：

　　单纯论查找复杂度：对于无冲突的Hash表而言，查找复杂度为O(1)（注意，在查找之前我们需要构建相应的Hash表）。

　　使用Hash，我们付出了什么？
　　我们在实际编程中存储一个大规模的数据，最先想到的存储结构可能就是map，也就是我们常说的KV pair，经常使用Python的博友可能更有这种体会。使用map的好处就是，我们在后续处理数据处理时，可以根据数据的key快速的查找到对应的value值。map的本质就是Hash表，那我们在获取了超高查找效率的基础上，我们付出了什么？

　　Hash是一种典型以空间换时间的算法，比如原来一个长度为100的数组，对其查找，只需要遍历且匹配相应记录即可，从空间复杂度上来看，假如数组存储的是byte类型数据，那么该数组占用100byte空间。现在我们采用Hash算法，我们前面说的Hash必须有一个规则，约束键与存储位置的关系，那么就需要一个固定长度的hash表，此时，仍然是100byte的数组，假设我们需要的100byte用来记录键与位置的关系，那么总的空间为200byte,而且用于记录规则的表大小会根据规则，大小可能是不定的。

　　Hash算法和其他查找算法的性能对比：

排序查找算法

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