Файл: Алгоритмы сортировки данных(Понятие алгоритма и сортировки).pdf

После того, как наибольший элемент поменялся местами с последним, массив больше не является пирамидой, так как новый элемент на вершине может оказаться меньше, чем его потомки. Алгоритм продолжает менять элементы местами и восстанавливать пирамиду до тех пор, пока в пирамиде не останется элементов.

Рисунок 5. Пирамидальная сортировка

Вывод: 2 12 15 16 23 27 34 45 53 56 78 91

Глава 7. Сортировка слиянием

Алгоритм сортировки слиянием был предложен праотцом современных компьютеров – Джоном фон Нейманом. Сам метод является устойчивым, т. е. он не меняет одинаковые по значению элементы в списке.

В основе сортировки слиянием лежит принцип «разделяй и властвуй». Список разделяется на равные или практически равные части, каждая из которых сортируется отдельно. После чего уже упорядоченные части сливаются воедино.

Несколько детально этот процесс можно расписать так:

1. Массив рекурсивно разбивается пополам, и каждая из половин делиться до тех пор, пока размер очередного подмассива не станет равным единице;
2. Далее выполняется операция алгоритма, называемая слиянием. Два единичных массива сливаются в общий результирующий массив, при этом из каждого выбирается меньший элемент (сортировка по возрастанию) и записывается в свободную левую ячейку результирующего массива. После чего из двух результирующих массивов собирается третий общий отсортированный массив, и так далее. В случае если один из массивов закончиться, элементы другого дописываются в собираемый массив;
3. В конце операции слияния, элементы перезаписываются из результирующего массива в исходный.

Рисунок 6. Сортировка слиянием

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Глава 8. Быстрая сортировка

Быстрая сортировка, сортировка Хоара (англ. quicksort), часто называемая qsort (по имени в стандартной библиотеке языка Си) — широко известный алгоритм сортировки, разработанный английским информатиком Чарльзом Хоаром во время его работы в МГУ в 1960 году.

Один из самых быстрых известных универсальных алгоритмов сортировки массивов: в среднем O(nlog n) обменов при упорядочении n элементов; из-за наличия ряда недостатков на практике обычно используется с некоторыми доработками.

Быстрая сортировка является существенно улучшенным вариантом алгоритма сортировки с помощью прямого обмена, известного, в том числе, своей низкой эффективностью. Принципиальное отличие состоит в том, что в первую очередь производятся перестановки на наибольшем возможном расстоянии и после каждого прохода элементы делятся на две независимые группы. Любопытный факт: улучшение самого неэффективного прямого метода сортировки дало в результате один из наиболее эффективных улучшенных методов.

Общая идея алгоритма состоит в следующем:

1. Выбрать из массива элемент, называемый опорным. Это может быть любой из элементов массива. От выбора опорного элемента не зависит корректность алгоритма, но в отдельных случаях может сильно зависеть его эффективность.
2. Сравнить все остальные элементы с опорным и переставить их в массиве так, чтобы разбить массив на три непрерывных отрезка, следующие друг за другом: «меньшие опорного», «равные» и «большие».

3. Для отрезков «меньших» и «больших» значений выполнить рекурсивно ту же последовательность операций, если длина отрезка больше единицы.

На практике массив обычно делят не на три, а на две части: например, «меньшие опорного» и «равные и большие»; такой подход в общем случае эффективнее, так как упрощает алгоритм разделения.

Рисунок 7. Быстрая сортировка

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Глава 9. Сортировка Шелла

В 1959 году американский ученый Дональд Шелл опубликовал алгоритм сортировки, который впоследствии получил его имя – «Сортировка Шелла». Этот алгоритм может рассматриваться и как обобщение пузырьковой сортировки, так и сортировки вставками.

Идея метода заключается в сравнение разделенных на группы элементов последовательности, находящихся друг от друга на некотором расстоянии. Изначально это расстояние равно d или N/2, где N — общее число элементов. На первом шаге каждая группа включает в себя два элемента расположенных друг от друга на расстоянии N/2; они сравниваются между собой, и, в случае необходимости, меняются местами. На последующих шагах также происходят проверка и обмен, но расстояние d сокращается на d/2, и количество групп, соответственно, уменьшается. Постепенно расстояние между элементами уменьшается, и на d=1 проход по массиву происходит в последний раз.

Рисунок 8. Сортировка Шелла

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Глава 10. Сортировка подсчётом

Алгоритм сортировки подсчётом (counting sort) применим, если каждый из n элементов сортируемой последовательности – целое положительное число в известном диапазоне (не превосходящее заранее известного k). Если k = О(n), то алгоритм сортировки подсчётом работает за время О(n).

Идея этого алгоритма заключается в том, чтобы для каждого элемента х предварительно подсчитать, сколько элементов входной последовательности меньше х. Далее х записывается напрямую в выходной массив в соответствии с этим числом (если, скажем, 5 элементов входного массива меньше х, то в выходном массиве х дол­жен быть записан на место номер 6). Если предположить, что в сортируемой последовательности могут присутствовать равные числа, то представленная схема потребует небольшой модификации, позволяющей избежать записи нескольких чисел на одно место.

Рисунок 9. Сортировка подсчётом

Вывод: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Глава 11. Поразрядная сортировка

Исходно предназначен для сортировки целых чисел, записанных цифрами. Но так как в памяти компьютеров любая информация записывается целыми числами, алгоритм пригоден для сортировки любых объектов, запись которых можно поделить на «разряды», содержащие сравнимые значения. Например, так сортировать можно не только числа, записанные в виде набора цифр, но и строки, являющиеся набором символов, и вообще произвольные значения в памяти, представленные в виде набора байт.

Сравнение производится поразрядно: сначала сравниваются значения одного крайнего разряда, и элементы группируются по результатам этого сравнения, затем сравниваются значения следующего разряда, соседнего, и элементы либо упорядочиваются по результатам сравнения значений этого разряда внутри образованных на предыдущем проходе групп, либо переупорядочиваются в целом, но сохраняя относительный порядок, достигнутый при предыдущей сортировке. Затем аналогично делается для следующего разряда, и так до конца.

Так как выравнивать сравниваемые записи относительно друг друга можно в разную сторону, на практике существуют два варианта этой сортировки. Для чисел они называются в терминах значимости разрядов числа, и получается так: можно выровнять записи чисел в сторону менее значащих цифр (по правой стороне, в сторону единиц, least significant digit, LSD) или более значащих цифр (по левой стороне, со стороны более значащих разрядов, most significant digit, MSD).

При LSD сортировке (сортировке с выравниванием по младшему разряду, направо, к единицам) получается порядок, уместный для чисел. Например: 1, 2, 9, 10, 21, 100, 200, 201, 202, 210. То есть, здесь значения сначала сортируются по единицам, затем сортируются по десяткам, сохраняя отсортированность по единицам внутри десятков, затем по сотням, сохраняя отсортированность по десяткам и единицам внутри сотен, и т. п.

При MSD сортировке (с выравниванием в сторону старшего разряда, налево), получается алфавитный порядок, который уместен для сортировки строк текста. Например «b, c, d, e, f, g, h, i, j, ba» отсортируется как «b, ba, c, d, e, f, g, h, i, j». Если MSD применить к числам, приведённым в примере получим последовательность 2, 3, 23, 24, 44, 45, 66, 75, 90, 170, 232, 234, 802.

Рисунок 10. Сортировка подсчётом

Глава 12. Блочная сортировка

алгоритм сортировки, в котором сортируемые элементы распределяются между конечным числом отдельных блоков (карманов, корзин) так, чтобы все элементы в каждом следующем по порядку блоке были всегда больше (или меньше), чем в предыдущем. Каждый блок затем сортируется отдельно, либо рекурсивно тем же методом, либо другим. Затем элементы помещаются обратно в массив. Этот тип сортировки может обладать линейным временем исполнения.

Данный алгоритм требует знаний о природе сортируемых данных, выходящих за рамки функций "сравнить" и "поменять местами", достаточных для сортировки слиянием, сортировки пирамидой, быстрой сортировки, сортировки Шелла, сортировки вставкой.

Преимущества: относится к классу быстрых алгоритмов с линейным временем исполнения O(n) (на удачных входных данных).

Недостатки: сильно деградирует при большом количестве мало отличных элементов, или же на неудачной функции получения номера корзины по содержимому элемента. В некоторых таких случаях для строк, возникающих в реализациях основанного на сортировке строк алгоритма сжатия BWT, оказывается, что быстрая сортировка строк значительно превосходит блочную сортировку скоростью.

Рисунок 10. Блочная сортировка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сортировка применяется во всех без исключения областях программирования, будь то базы данных или математические программы. Алгоритмы сортировки представляют собой пошаговое упорядочение элементов в определенном массиве данных, независимо от его размеров.