Файл: Алгоритмы сортировки данных (Типы и структуры данных).pdf

Можно также выделить алгоритмы:

• Механические алгоритмы, или иначе детерминированные, жесткие (например, алгоритм работы машины, двигателя и т. п.) - задают определенные действия, обозначая их в единственной и достоверной последовательности, обеспечивая тем самым однозначный требуемый или искомый результат, если выполняются те условия процесса, задачи, для которых разработан алгоритм.
• Гибкие алгоритмы, например, стохастические, то есть вероятностные и эвристические.
• Вероятностный (стохастический) алгоритм дает программу решения задачи несколькими путями или способами, приводящими к вероятному достижению результата.
• Эвристический алгоритм (от греческого слова «эврика») - алгоритм, использующий различные разумные соображения без строгих обоснований.
• Линейный алгоритм - набор команд (указаний), выполняемых последовательно во времени друг за другом.
• Разветвляющийся алгоритм - алгоритм, содержащий хотя бы одно условие, в результате проверки которого может осуществляться разделение на несколько альтернативных ветвей алгоритма.
• Циклический алгоритм - алгоритм, предусматривающий многократное повторение одного и того же действия (одних и тех же операций) над новыми исходными данными. К циклическим алгоритмам сводится большинство методов вычислений, перебора вариантов. Цикл программы - последовательность команд (серия, тело цикла), которая может выполняться многократно (для новых исходных данных) до удовлетворения некоторого условия.
• Вспомогательный алгоритм - алгоритм, ранее разработанный и целиком используемый при алгоритмизации конкретной задачи. В некоторых случаях при наличии одинаковых последовательностей указаний (команд) для различных данных с целью сокращения записи также выделяют вспомогательный алгоритм. На всех этапах подготовки к алгоритмизации задачи широко используется структурное представление алгоритма.
• Структурная блок-схема, граф-схема алгоритма - графическое изображение алгоритма в виде схемы связанных между собой с помощью стрелок (линий перехода) блоков - графических символов, каждый из которых соответствует одному шагу алгоритма. Внутри блока дается описание соответствующего действия. Графическое изображение алгоритма широко используется перед программированием задачи вследствие его наглядности, так как зрительное восприятие обычно облегчает процесс написания программы, её корректировки при возможных ошибках, осмысливание процесса обработки информации. Можно встретить даже такое утверждение: «Внешне алгоритм представляет собой схему - набор прямоугольников и других символов, внутри которых записывается, что вычисляется, что вводится в машину и что выдается на печать и другие средства отображения информации».

3. Понятие сортировки

Сортировка - один из наиболее распространенных процессов современной обработки данных. Задачи на сортировку данных встречаются на компьютере очень часто. Главным образом, это связано с тем, что разбираться в отсортированных данных намного проще, чем в неотсортированных.

Алгоритм сортировки - это порядок действий для упорядочения элементов в списке. Обычно говорят о сортировке записей (содержащих любые данные) по ключам – фрагментам этих записей, допускающих отношение упорядочения. Например, ключи могут быть числами (в этом случае используется естественный математический порядок возрастания или убывания чисел) или строковыми значениями (в этом случае упорядочение производится по алфавиту).

Наверно, никакая другая проблема не породила такого количества разнообразнейших решений, как задача сортировки.

3.1. Оценка алгоритма сортировки

Для того чтобы обоснованно сделать выбор метода сортировки, рассмотрим параметры, по которым будет производиться оценка алгоритмов.

• Время сортировки. Основной параметр, характеризующий быстродействие алгоритма. Называется также вычислительной сложностью.

• Память. Ряд алгоритмов требует выделения дополнительной памяти под временное хранение данных. При оценке используемой памяти не будет учитываться место, которое занимает исходный массив и независящие от входной последовательности затраты, например, на хранение кода программы.

• Устойчивость. Устойчивая сортировка не меняет взаимного расположения равных элементов. Такое свойство может быть очень полезным, если они состоят из нескольких полей, а сортировка происходит по одному из них.

• Естественность поведения - эффективность метода при обработке уже

отсортированных, или частично отсортированных данных. Алгоритм ведёт себя естественно, если учитывает эту характеристику входной последовательности и работает лучше.

Ещё одним важным свойством алгоритма является его сфера применения. Здесь основных типов сортировки две:

• Внутренняя сортировка оперирует с массивами, целиком помещающимися в оперативной памяти с произвольным доступом к любой ячейке. Данные обычно сортируются на том же месте, без дополнительных затрат.

• Внешняя сортировка оперирует с запоминающими устройствами большого объёма, но с доступом не произвольным, а последовательным (сортировка файлов), то есть в данный момент мы «видим» только один элемент, а затраты на перемотку по сравнению с памятью неоправданно велики. Это накладывает некоторые дополнительные ограничения на алгоритм и приводит к специальным методам сортировки, обычно использующим дополнительное дисковое пространство. Кроме того, доступ к данным на носителе производится намного медленнее, чем операции с оперативной памятью.

4. Методы внутренней сортировки

Внутренняя сортировка - разновидность алгоритмов сортировки или их реализаций, при которой объема оперативной памяти достаточно для помещения в неё сортируемого массива данных с произвольным доступом к любой ячейке и, собственно, для выполнения алгоритма. В этом случае сортировка происходит максимально быстро, так как скорость доступа к оперативной памяти значительно выше, чем к периферийным устройствам (соответственно, время доступа значительно меньше). В зависимости от конкретного алгоритма и его реализации данные могут сортироваться в той же области памяти, либо использовать дополнительную оперативную память. Внутренняя сортировка является базовой для любого алгоритма внешней сортировки - отдельные части массива данных сортируются в оперативной памяти и с помощью специального алгоритма сцепляются в один массив, упорядоченный по ключу.

В современных архитектурах компьютеров и системных архитектурах широко применяется подкачка и кэширование памяти. Поэтому в большинстве случаев имеется возможность использовать внутреннюю сортировку даже для задач, в которых объём данных несколько превышает выделяемую процессу оперативную память. Однако, в последнем случае алгоритм сортировки должен хорошо сочетаться с применяемыми операционной системой алгоритмами кэширования и подкачки. В противном случае необходимо использовать подходящий алгоритм внешней сортировки.

В общей постановке задача ставится следующим образом. Имеется последовательность однотипных записей, одно из полей которых выбрано в качестве ключевого (далее мы будем называть его ключом сортировки). Тип данных ключа должен включать операции сравнения ("=", ">", "<", ">=" и "<="). Задачей сортировки является преобразование исходной последовательности в последовательность, содержащую те же записи, но в порядке возрастания (или убывания) значений ключа. Метод сортировки называется устойчивым, если при его применении не изменяется относительное положение записей с равными значениями ключа.

Различают сортировку массивов записей, целиком расположенных в основной памяти (внутреннюю сортировку), и сортировку файлов, хранящихся во внешней памяти и не помещающихся полностью в основной памяти (внешнюю сортировку). Для внутренней и внешней сортировки требуются существенно разные методы. В этой части мы рассмотрим наиболее известные методы внутренней сортировки, начиная с простых и понятных, но не слишком быстрых, и заканчивая не столь просто понимаемыми усложненными методами.

Естественным условием, предъявляемым к любому методу внутренней сортировки является то, что эти методы не должны требовать дополнительной памяти: все перестановки с целью упорядочения элементов массива должны производиться в пределах того же массива. Мерой эффективности алгоритма внутренней сортировки являются число требуемых сравнений значений ключа (C) и число перестановок элементов (M).

Заметим, что поскольку сортировка основана только на значениях ключа и никак не затрагивает оставшиеся поля записей, можно говорить о сортировке массивов ключей. В следующих разделах, чтобы не привязываться к конкретному языку программирования и его синтаксическим особенностям, мы будем описывать алгоритмы словами и иллюстрировать их на простых примерах.

4.1. Сортировка включением (метод Шелла)

Одним из наиболее простых и естественных методов внутренней сортировки является сортировка с простыми включениями. Идея алгоритма очень проста. Пусть имеется массив ключей a[1], a[2], ..., a[n]. Для каждого элемента массива, начиная со второго, производится сравнение с элементами с меньшим индексом (элемент a[i] последовательно сравнивается с элементами a[i-1], a[i-2] ...) и до тех пор, пока для очередного элемента a[j] выполняется соотношение a[j] > a[i], a[i] и a[j] меняются местами. Если удается встретить такой элемент a[j], что a[j] <= a[i], или если достигнута нижняя граница массива, производится переход к обработке элемента a[i+1] (пока не будет достигнута верхняя граница массива).

Легко видеть, что в лучшем случае (когда массив уже упорядочен) для выполнения алгоритма с массивом из n элементов потребуется n-1 сравнение и 0 пересылок. В худшем случае (когда массив упорядочен в обратном порядке) потребуется n?(n-1)/2 сравнений и столько же пересылок. Таким образом, можно оценивать сложность метода простых включений как O(n2).

Можно сократить число сравнений, применяемых в методе простых включений, если воспользоваться тем фактом, что при обработке элемента a[i] массива элементы a[1], a[2], ..., a[i-1] уже упорядочены, и воспользоваться для поиска элемента, с которым должна быть произведена перестановка, методом двоичного деления. В этом случае оценка числа требуемых сравнений становится O(n?log n). Заметим, что поскольку при выполнении перестановки требуется сдвижка на один элемент нескольких элементов, то оценка числа пересылок остается O(n2).

Таблица 4.1.1 Пример сортировки методом простого включения

Дальнейшим развитием метода сортировки с включениями является сортировка методом Шелла, называемая по-другому сортировкой включениями с уменьшающимся расстоянием. Мы не будем описывать алгоритм в общем виде, а ограничимся случаем, когда число элементов в сортируемом массиве является степенью числа 2. Для массива с 2n элементами алгоритм работает следующим образом. На первой фазе производится сортировка включением всех пар элементов массива, расстояние между которыми есть 2(n-1). На второй фазе производится сортировка включением элементов полученного массива, расстояние между которыми есть 2(n-2). И так далее, пока мы не дойдем до фазы с расстоянием между элементами, равным единице, и не выполним завершающую сортировку с включениями. Применение метода Шелла к массиву, используемому в наших примерах, показано в таблице 4.1.2.

Таблица 4.1.2 Пример сортировки методом Шелл