Сортировка одномерного массива.

Одной из самых распространенных и известных задач в программировании является задача сортировки одномерного массива. Существует большое количество алгоритмов, которые отличаются как скоростью выполнения, так и сложностью реализации.

· С использованием Min и Max – очень медленный алгоритм, заключается в последовательном поиске мин или макс. элемента в массиве, а затем размещение его в начале или конце списка! После чего указатель передвигается на следующий элемент (следующий после найденного), и все повторяется для оставшейся части массива.

· Метод пузырька – заключается в последовательном сравнении двух соседних элементов массива, и упорядочивании путем обмена каждой пары! Так продолжается до упорядочивания всего массива. Это также не самый быстрый алгоритм.

· Алгоритм быстрой сортировки и ее модификации – один из самых быстрых алгоритмов! Подробно ниже.

Основа алгоритма была разработана в 1960 году (C.A.R.Hoare) и с тех пор внимательно изучалась многими людьми. Быстрая сортировка особенно популярна ввиду легкости ее реализации; это довольно хороший алгоритм общего назначения, который хорошо работает во многих ситуациях, и использует при этом меньше ресурсов, чем другие алгоритмы.

Основные достоинства этого алгоритма состоят в том, что он точечный (использует лишь небольшой дополнительный стек), в среднем требует только около N log N операций для того, чтобы отсортировать N элементов, и имеет экстремально короткий внутренний цикл. Недостатки алгоритма состоят в том, что он рекурсивен (реализация очень затруднена когда рекурсия недоступна), в худшем случае он требует N2 операций, кроме того он очень "хрупок": небольшая ошибка в реализации, которая легко может пройти незамеченной, может привести к тому, что алгоритм будет работать очень плохо в некоторых случаях.

Производительность быстрой сортировки хорошо изучена. Алгоритм подвергался математическому анализу, поэтому существуют точные математические формулы касающиеся вопросов его производительности. Результаты анализа были неоднократно проверены эмпирическим путем, и алгоритм был отработан до такого состояния, что стал наиболее предпочтительным для широкого спектра задач сортировки. Все это делает алгоритм стоящим более детального изучения наиболее эффективных путей его реализации. Похожие способы реализации подходят также и для других алгоритмов, но в алгоритме быстрой сортировки мы можем использовать их с уверенностью, поскольку его производительность хорошо изучена.

Улучшить алгоритм быстрой сортировки является большим искушением: более быстрый алгоритм сортировки - это своеобразная "мышеловка" для программистов. Почти с того момента, как Hoare впервые опубликовал свой алгоритм, в литературе стали появляться "улучшенные" версии этого алгоритма. Было опробовано и проанализировано множество идей, но все равно очень просто обмануться, поскольку алгоритм настолько хорошо сбалансирован, что результатом улучшения в одной его части может стать более сильное ухудшение в другой его части. Мы рассмотрим в некоторых деталях три модификации этого алгоритма, которые дают ему существенное улучшение.

Хорошо же отлаженная версия быстрой сортировки скорее всего будет работать гораздо быстрее, чем любой другой алгоритм. Однако стоит еще раз напомнить, что алгоритм очень хрупок и любое его изменение может привести к нежелательным и неожиданным эффектам для некоторых входных данных.

Суть алгоритма:, массив разбивается на две части, с условием, что все элементы первой части меньше любого элемента второй. Потом каждая часть сортируется отдельно. Разбиение на части достигается упорядочиванием относительно некоторого элемента массива, т. е. в первой части все числа меньше либо равны этому элементу, а во второй, соответственно, больше либо равны. Два индекса проходят по массиву с разных сторон и ищут элементы, которые попали не в свою группу. Найдя такие элементы, их меняют местами. Тот элемент, на котором индексы пересекутся, и определяет разбиение на группы. Классическая реализация алгоритма выглядит так:

Program QuickSort;

Var A : array[1..1000] of integer;

N,T : integer;

Procedure Sort(p,q : integer); {p,q — индексы начала и конца сортируемой части массива}

Var i,j,r : integer;

Begin

if p<q then {массив из одного элемента тривиально упорядочен}

begin

r:=A[p];

i:=p-1;

j:=q+1;

while i<j do

begin

repeat

i:=i+1;

until A[i]>=r;

repeat

j:=j-1;

until A[j]<=r;

if i<j then

begin

T:=A[i];

A[i]:=A[j];

A[j]:=T;

end;

end;

Sort(p,j);

Sort(j+1,q);

end;

End;

Begin

{Определение размера массива A — N) и его заполнение}

…

{запуск сортирующей процедуры}

Sort(1,N);

{Вывод отсортированного массива A}

…

End.

Что же делает данный алгоритм таким быстрым? Ну во-первых, если массив каждый раз будет делится на приблизительно равные части, то для него будет верно то же соотношение, что и для сортировки слиянием, т. е. время работы будет O(nlog2n). Это уже само по себе хорошо. Кроме того, константа при nlog2n очень мала, ввиду простоты внутреннего цикла программы. В комплексе это обеспечивает огромную скорость работы. Но как всегда есть одно «но». Вы, наверное, уже задумались: а что если массив не будет делится на равные части? Классическим примером является попытка «быстро» отсортировать уже отсортированный массив. При этом данные каждый раз будут делиться в пропорции 1 к n-1, и так n раз. Общее время работы при этом будет O(n2), тогда как вставкам, для того чтобы «понять», что массив уже отсортирован, требуется всего-навсего O(n). А на кой нам сортировка, которая одно сортирует хорошо, а другое плохо? А собственно, что она сортирует хорошо? Оказывается, что лучше всего она сортирует случайные массивы (порядок элементов в массиве случаен). И поэтому нам предлагают ввести в алгоритм долю случайности. А точнее, вставить randomize и вместо r:=A[p]; написать r:=A[random(q-p)+p]; т. е. теперь мы разбиваем данные не относительно конкретного, а относительно случайного элемента. Благодаря этому алгоритм получает приставку к имени «вероятностный». Особо недоверчивым предлагаю на своем опыте убедится, что данная модификация быстрой сортировки сортирует любые массивы столь же быстро.

А теперь еще один интересный факт: время O(nlog2n) является минимальным для сортировок, которые используют только попарное сравнение элементов и не использует структуру самих элементов. Тем, кому интересно, откуда это взялось, рекомендую поискать в литературе, доказательство я здесь приводить не намерен, не Дональд Кнут, в конце концов :-). Но вы обратили внимание, что для рассмотренных алгоритмов в принципе не важно, что сортировать — такими методами можно сортировать хоть числа, хоть строки, хоть какие-то абстрактные объекты. Следующие сортировки могут сортировать только определенные типы данных, но за счет этого они имеют рекордную временную оценку O(n).

«Быстрая сортировка»

Как и для большинства алгоритмов сортировки, методика «быстрой сортировки» взята из повседневного опыта. Чтобы отсортировать большую стопку алфавитных карточек по именам, можно разбить ее на две меньшие стопки относительно какой-нибудь буквы, например K. Все имена, меньшие или равные K, идут в одну стопку, а остальные – в другую.

Затем каждая стопка снова делится на две. Например, на рисунке 18 точками разбиения являются буквы F и R. Процесс разбиения на все меньшие и меньшие стопки продолжается.

В алгоритме «быстрой сортировки» применяется метод разбиения с определением центрального элемента. Так как мы не можем позволить себе удовольствие разбрасывать стопки по всему столу, как при сортировке алфавитных карточек, элементы разбиваются на группы внутри массива. Рассмотрим алгоритм «быстрой сортировки» на примере, а затем обсудим технические детали. Пусть дан массив, состоящий из 10 целых чисел: A = 800, 150, 300, 600, 550, 650, 400, 350, 450, 700

Фаза сканирования

Массив имеет нижнюю границу, равную 0 (low), и верхнюю границу, равную 9 (high). Его середина приходится на 4 элемент (mid). Первым центральным элементом является A[mid] = 550. Таким образом, все элементы массива A разбиваются на два подсписка: Sl и Sh. Меньший из них (Sl) будет содержать элементы, меньшие или равные центральному. Подсписок Sh будет содержать элементы большие, чем центральный. Поскольку заранее известно, что центральный элемент в конечном итоге будет последним в подсписке Sl, мы временно передвигаем его в начало массива, меняя местами с A[0] (A[low]). Это позволяет сканировать подсписок A[1]--A[9] с помощью двух индексов: scanUp и scanDown. Начальное значение scanUp соответствует индексу 1 (low+1). Эта переменная адресует элементы подсписка Sl. Переменная scanDown адресует элементы подсписка Sh и имеет начальное значение 9 (high). Целью прохода является определение элементов для каждого подсписка.

Оригинальность «быстрой сортировки» заключается во взаимодействии двух индексов в процессе сканирования списка. Индекс scanUp перемещается вверх по списку, а scanDown – вниз. Мы продвигаем scanUp вперед и ищем элемент A[scanUp] больший, чем центральный. В этом месте сканирование останавливается, и мы готовимся переместить найденный элемент в верхний подсписок. Перед тем, как это перемещение произойдет, мы продвигаем индекс scanDown вниз по списку и находим элемент, меньший или равный центральному. Таким образом, у нас есть два элемента, которые находятся не в тех подсписках, и их можно менять местами. Swap (A[scanUp], A[scanDown]); // менять местами партнеров

Этот процесс продолжается до тех пор, пока scanUp и scanDown не зайдут друг за друга (scanUp = 6, scanDown = 5). В этот момент scanDown оказывается в подсписке, элементы которого меньше или равны центральному. Мы попали в точку разбиения двух списков и указали окончательную позицию для центрального элемента. В нашем примере поменялись местами числа 600 и 450, 800 и 350, 650 и 400 (см. рисунок 20).

Рис. 20.

Затем происходит обмен значениями центрального элемента A[0] с A[scanDown]: Swap(A[0], A[scanDown]);

В результате у нас появляются два подсписка A[0] – A[5] и A[6] – A[9], причем все элементы первого подсписка меньше элементов второго, и последний элемент первого подсписка является его наибольшим элементом. Таким образом, можно считать, что после проделанных операций подсписки разделены элементом А[5] = 550 (рисунок 21). Если теперь отсортировать каждый подсписок по отдельности, то у нас получится полностью отсортированный массив. Заметьте, что по сути оба этих подсписка являются такими же массивами, как и исходный, поэтому к ним можно применить тот же самый алгоритм. Применение того же алгоритма к частям массива называется рекурсивной фазой.

Рекурсивная фаза

Одним и тем же методом обрабатываются два подсписка: Sl(A[0] – A[4]) и Sh(A[6] – A[9]). Элемент А[5] обрабатывать не надо, так как он уже находится на своем месте. Тот же алгоритм применяется для каждого подсписка, разбивая эти подсписки на меньшие части, пока в подсписке не останется одного элемента или пока подсписок не опустеет.