Файл: Алгоритмы сортировки данных (Понятие алгоритма).pdf

1. Характеристика основных видов алгоритмов сортировки

Алгоритм сортировки — это алгоритм для упорядочения элементов в списке. В случае, когда элемент списка имеет несколько полей, поле по которому производится сортировка, называется ключом сортировки. На практике, в качестве ключа часто выступает число, а в остальных полях хранятся какие-либо данные, никак не влияющие на работу алгоритма.

Пожалуй, никакая другая проблема не породила такого количества разнообразнейших решений, как задача сортировки. Существует ли некий «универсальный», наилучший алгоритм? Вообще говоря, нет. Однако, имея приблизительные характеристики входных данных, можно подобрать метод, работающий оптимальным образом.

Сортировка применяется во всех без исключения областях программирования, будь то базы данных или математические программы.

Практически каждый алгоритм сортировки можно разбить на три части:

1. сравнение, определяющее упорядоченность пары элементов;
2. перестановку, меняющую местами пару элементов;
3. собственно сортирующий алгоритм, который осуществляет сравнение и перестановку элементов до тех пор, пока все элементы множества не будут упорядочены.

Подобными свойствами обладают и те алгоритмы сортировки, которые рассмотрены ниже. Они отобраны из множества алгоритмов, потому что, во-первых, наиболее часто используются, а во-вторых, потому что большинство остальных алгоритмов является различными модификациями описанных здесь.

Основные виды сортировок:

a)Сортиро́вка пузырько́м (англ. bubble sort) — простой алгоритм сортировки. Алгоритм состоит в повторяющихся проходах по сортируемому массиву. За каждый проход элементы последовательно сравниваются попарно и, если порядок в паре неверный, выполняется обмен элементов. Проходы по массиву повторяются до тех пор, пока на очередном проходе не окажется, что обмены больше не нужны, что означает — массив отсортирован. При проходе алгоритма, элемент, стоящий не на своём месте, «всплывает» до нужной позиции как пузырёк в воде, отсюда и название алгоритма.

Сортировка методом пузырька имеет сложность O(n2). Для понимания и реализации это — простейший алгоритм сортировки, но эффективен он лишь для небольших массивов.

Пример реализации алгоритма (язык Pascal):

---

for i := n - 1 downto 1 do

for j := 1 to i do

if a[j] > a[j+1] then

begin

t := a[j];

a[j] := a[j+1];

a[j+1] := t;

end;

b)Сортировка перемешиванием (шейкер-сортировка) — разновидность пузырьковой сортировки. Отличается тем, что просмотры элементов выполняются один за другим в противоположных направлениях, при этом большие элементы стремятся к концу массива, а маленькие — к началу.

Лучший случай для этой сортировки — отсортированный массив (О(n)), худший — отсортированный в обратном порядке (O(n²)).

c)Сортировка методом вставок (англ. insertion sort) — простой алгоритм сортировки. Хотя этот метод сортировки намного менее эффективен чем более сложные алгоритмы (такие как быстрая сортировка), у него есть ряд преимуществ:

• прост в реализации
• эффективен на небольших наборах данных
• эффективен на наборах данных, которые уже частично отсортированы
• это устойчивый алгоритм сортировки (не меняет порядок элементов, которые уже отсортированы)
• может сортировать список по мере его получения

На каждом шаге алгоритма, мы выбираем один из элементов входных данных и вставляем его на нужную позицию в уже отсортированном списке, до тех пор пока набор входных данных не будет исчерпан. Выбор очередного элемента, выбираемого из исходного массива — произволен, может использоваться практически любой алгоритм выбора.

d)Сортировка подсчётом — алгоритм сортировки массива, при котором подсчитывается число одинаковых элементов. Алгоритм выгодно применять, когда в массиве много элементов, но все они достаточно малы.

Описание алгоритма:

Идея сортировки указана в её названии — нужно подсчитывать число элементов, а затем выстраивать массив. Пусть, к примеру, имеется массив A из миллиона натуральных чисел, меньших 100. Тогда можно создать вспомогательный массив B из 99 (1..99) элементов, «пробежать» весь исходный массив и вычислять частоту встречаемости каждого элемента — то есть если A[i]=a, то B[a] следует увеличить на единицу. Затем «пробежать» счетчиком i массив B, записывая в массив A число i B[i] раз.

e)Сортировка слиянием (англ. merge sort) — алгоритм сортировки, который упорядочивает списки (или другие структуры данных, доступ к элементам которых можно получать только последовательно, например — потоки) в определённом порядке. Эта сортировка — хороший пример использования принципа «разделяй и властвуй».

Алгоритм был изобретён Джоном фон Нейманом в 1945 году.

---

f)Цифровая сортировка (англ. pigeonhole sort) обладает линейной вычислительной сложностью (О(n)), что является лучшей возможной производительностью для алгоритма сортировки, так как в любом таком алгоритме каждый сортируемый элемент необходимо просмотреть хотя бы однажды. Однако, применение алгоритма цифровой сортировки целесообразно лишь тогда, когда сортируемые предметы имеют (или их можно отобразить в) диапазон возможных значений, который достаточно мал по сравнению с сортируемым списком. Эффективность алгоритма падает всякий раз, когда несколько различных элементов попадает в одну ячейку. Необходимость сортировки внутри ячеек лишает алгоритм смысла, так как каждый элемент придётся просматривать более одного раза. Так что, для простоты и с целью отличить «классическую» цифровую сортировку от её многочисленных вариантов, укажем, что подсчёт должен быть обратимым: если два элемента попадают в одну ячейку, то они должны иметь одинаковое значение. Несколько элементов с одним значением в одной ячейке не портят картину — их можно просто вставить в отсортированный список рядом, один за другим (это позволяет применять цифровую сортировку в качестве устойчивой).

Алгоритм цифровой сортировки действует следующим образом:

1. Создаём массив изначально пустых «ячеек», по одной для каждой величины из диапазона ключей.
2. Просматриваем изначальный массив, помещая каждый его элемент в свою ячейку.
3. Проходим по массиву ячеек в нужном порядке и переносим элементы из непустых ячеек обратно в первоначальный массив.

Эффективность этого алгоритма сильно зависит от плотности элементов в массиве ячеек. Если элементов этого массива намного больше, чем сортируемых предметов, то шаги 1 и 3 будут относительно медленными.

Сортировку подсчётом применяют редко, потому что её требования редко удовлетворяются, и часто бывает проще применить другие, более гибкие и почти такие же быстрые алгоритмы сортировки. В особенности, блочная сортировка является более практичным вариантом сортировки подсчётом. В некотором роде, быстрая сортировка представляет собой обобщённую сортировку подсчётом (всего с двумя ячейками в каждый момент времени).

g)Поразрядная сортировка — быстрая устойчивая сортировка за линейное время, использовалась в устройствах для сортировки перфокарт. Пригодна для сортировки любых элементов, состоящих из цепочек над фиксированным алфавитом, на котором задано отношение сравнения. Для сортировки следует применять любой устойчивый алгоритм, используя в качестве ключа сначала младшую букву, затем повторять этот процесс для старших букв.

---

h)Cортировка методом выбора (англ. selection sort) — алгоритм сортировки, относящийся к неустойчивым алгоритмам сортировки. На массиве из n элементов имеет время выполнения в худшем, среднем и лучшем случае Θ(n²), предполагая, что сравнения делаются за постоянное время.

Шаги алгоритма:

1. находим минимальное значение в текущем списке
2. производим обмен этого значения со значением на первой позиции
3. теперь сортируем хвост списка, исключив из рассмотрения уже отсортированный первый элемент.

Пирамидальная сортировка сильно улучшает базовый алгоритм, используя структуру данных ключа для ускорения нахождения и удаления минимального элемента.

Существует также двунаправленный вариант сортировки методом вставок, в котором на каждом проходе отыскивается и устанавливается на своё место и минимальное, и максимальное значения.

i)Сортировка методом Шелла

Идея алгоритма состоит в обмене элементов, расположенных не только рядом, как в сортировке методом вставок, но и далеко друг от друга, что значительно сокращает общее число операций перемещения элементов.

Для примера возьмем файл из 16 элементов. Сначала просматриваются пары с шагом 8. Это пары элементов 1-9, 2-10, 3-11, 4-12, 5-13, 6-14, 7-15, 8-16. Если значения элементов в паре не упорядочены по возрастанию, то элементы меняются местами. Назовем этот этап 8-сортировкой. Следующий этап — 4-сортировка, на котором элементы в файле делятся на четверки: 1-5-9-13, 2-6-10-14, 3-7-11-15, 4-8-12-16. Выполняется сортировка в каждой четверке.

Следующий этап — 2-сортировка, когда элементы в файле делятся на 2 группы по 8: 1-3-5-7-9-11-13-15 и 2-4-6-8-10-12-14-16. Выполняется сортировка в каждой восьмерке. Наконец весь файл упорядочивается методом вставок. Поскольку дальние элементы уже переместились на свое место или находятся вблизи от него, этот этап будет значительно менее трудоемким, чем при сортировке вставками без предварительных «дальних» обменов.

Анализ алгоритма сортировки Шелла:

Время выполнения сортировки пропорционально n^1.2. Эта зависимость значительно лучше квадратичной зависимости n², которой подчиняется большинство простых алгоритмов сортировки.

Пример реализации (Pascal)

procedure sort_shell (var a:array of word);

var

bis,i,j,k:longint;

h:word;

begin

bis:=high(a);

k:=bis shr 1;

While k>0 do

Begin

For i:=0 To bis-k do

begin

j:=i;

While (j>=0) And (a[j]>a[j+k]) do

begin

h:=a[j];

a[j]:=a[j+k];

a[j+k]:=h;

dec(j,k);

end;

---

end;

k:=k shr 1;

End;

j)Пирамидальная сортировка — алгоритм сортировки, работающий в худшем, в среднем и в лучшем случае (т.е. гарантированно) за О(n log n) операций при сортировке n элементов.

Алгоритм:

Сортировка пирамидой использует сортирующее дерево. Сортирующее дерево – это такое двоичное дерево, у которого выполнены условия:

1. Каждый лист имеет глубину либо d либо d-1
2. Значение в любой вершине больше, чем значения ее потомков.

Удобная структура данных для сортирующего дерева – такой массив Array, что Array[1] – элемент в корне, а потомки элемента Array[i] - Array[2i] и Array[2i+1].

Алгоритм сортировки будет состоять из двух основных шагов:

1. Выстраиваем элементы массива в виде сортирующего дерева:

при 

Этот шаг требует О(n) операций.

2. Будем удалять элементы из корня по одному за раз и перестраивать дерево. Т.е. на первом шаге обмениваем Array[1] и Array[n], преобразовываем Array[1], Array[2], ... , Array[n-1] в сортирующее дерево. Затем переставляем Array[1] и Array[n-1], преобразовываем Array[1], Array[2], ... , Array[n-2] в сортирующее дерево. Процесс продолжается до тех пор, пока в сортирующем дереве не останется один элемент. Тогда Array[1], Array[2], ... , Array[n] - упорядоченная последовательность.

Этот шаг требует О(n log n) операций.

k)Быстрая сортировка (англ. quicksort) — широко известный алгоритм сортировки, разработанный английским информатиком Чарльзом Хоаром. Даёт в среднем O(n log n) сравнений при сортировке n элементов. В худшем случае, однако, получается O(n²) сравнений. Обычно на практике быстрая сортировка значительно быстрее, чем другие алгоритмы с оценкой O(n log n), по причине того, что внутренний цикл алгоритма может быть эффективно реализован почти на любой архитектуре, и на большинстве реальных данных можно найти решения, которые минимизируют вероятность того, что понадобится квадратичное время.

Интересно, что Хоар разработал этот метод применительно к машинному переводу: дело в том, что в то время словарь хранился на магнитной ленте, и если отсортировать все слова в тексте, их переводы можно получить за один прогон ленты.

Алгоритм:

Быстрая сортировка использует стратегию «разделяй и властвуй». Шаги алгоритма таковы:

1. Выбираем в массиве некоторый элемент, который будем называть опорным элементом.
2. Операция разделения массива: реорганизуем массив таким образом, чтобы все элементы, меньшие или равные опорному элементу, оказались слева от него, а все элементы, большие опорного — справа от него.
3. Рекурсивно сортируем подсписки, лежащие слева и справа от опорного элемента.

---