八大算法排序@归并排序（C语言版本）

归并排序

概念

  归并排序（Merge Sort）是一种基于分治策略的经典排序算法。它的基本思想是将待排序的数组划分成两个子数组，分别对这两个子数组进行递归排序，然后将已排序的子数组合并成一个有序的数组。归并排序的关键在于合并操作，这是该算法的核心。

算法思想

  归并、归并，其实可以认为就是递归+合并。递归就是将待排序的数组通过递归，细分到子数组有序为止。最差的情况，如细分到数组只剩一个元素，那么该数组既可以认为是升序的，也可以认为是降序的，总而言之，是有序的。
然后将一个个有序的数组，进行合并，最终合并成一个有序的数组。因此该排序算法的核心便是合并算法。

我们借助数组arr = { 6 , 4 , 3 , 2 , 5 , 8 , 1 , 7 }。借用图形模拟演示下流程。

通过上图所示的流程图，或许看着比较通俗易懂，然后实际上用代码实现起来还是没有想象中的那么简单的。

第一步

首先，我们不可能如流程图演示一样，递归一次就开辟一些新的数组，而且频繁的开辟数组也会造成性能的浪费。因此，在一开始便会申请一块与待排序数组同样空间大小的临时数组tmp。

// 归并排序 - 递归实现
void MergeSort(int* a, int n)
{
   
	assert(a);	// 确保数组不为空

	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);

	free(tmp);	// 申请的空间，没用时要主动释放
}

解决了临时空间的问题，下一步我们将着手解决递归和合并的问题。

第二步

因为待排序的数据与后序递归细分到有序数组都是一样的问题，我们可以统一给它们划分成一个子问题，如以下的_MergeSort()函数：

// 归并排序 - 递归实现
void MergeSort(int* a, int n)
{
   
	assert(a);

	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);

	_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);	// 子问题，解决递归和合并的问题

	free(tmp);

}

因为递归划分数组时，是根据数组下标进行划分的，因此子函数设计时，传入数组下标的范围更佳，同时要将临时数组tmp也传过去。

第三步

  如下，对数组进行划分，分别用left 和 right 接收传入的数组下标的范围，然后通过下标算出数组的中间下标值，用 变量mid接收，根据变量mid，将数组划分为两个区间，区间范围为：[ left , mid ] 、 [ mid+1 , right ] 。
而对于[ left , mid ] 和 [ mid+1 , right ] 两个子数组若是有序，则可以进行合并；如果还没有序时，依旧是子问题，这便是递归的由来。
  子函数_MergeSort()，传入的参数依旧是待排序数组的下标范围，和临时辅助的数组tmp。如下代码所示：

// 时间复杂度：O(N*logN)
// 空间复杂度：O(N)
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
   
	int mid = (left + right) / 2;
	// 分割为两个区间[left,mid]   [mid+1,right]
	//[left,mid] [mid+1,right] 有序，则可以合并，他们还没有序时，子问题解决
	_MergeSort(a, left, mid, tmp);
	_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);
}

观察以上的代码，我们发现，
1、递归函数中，缺少了结束条件，这将导致一直递归个不停，从而导致栈溢出，致使程序崩溃。而如何确定结束条件呢？回顾流程图，当数组中只有一个元素时，便可以认为数组是有序的了，即当待排序数组的下标范围， left >= right 时便可以结束递归，返回，进行合并了。
2、缺少合并的步骤。

因此，要解决以上两个问题，如下：

// 时间复杂度：O(N*logN)
// 空间复杂度：O(N)
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
   
	if (left >= right)
		return;

	int mid = (left + right) / 2;
	// 分割为两个区间[left,mid]   [mid+1,right]
	//[left,mid] [mid+1,right] 有序，则可以合并，他们还没有序时，子问题解决
	_MergeSort(a, left, mid, tmp);
	_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);

	/*  当执行到这里时，数组[left,mid] 和 [mid+1 , right] 已经有序，因此下面将是退出递归、合并数组的步骤 */
	// 归并：递归往回退	（[left,mid]、[mid+1,right]两个区间已经有序）
	int begin1 = left, end1 = mid;
	int begin2 = mid+1, end2 = right;
	int index = begin1;		// 此处注意，tmp起始位置在 left
	while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
	{
   
		// 在两个数组中，依次找最小的数存入临时数组tmp
		if (a[begin1] < a[begin2])
			tmp[index++] = a[begin1++];
		else
			tmp[index++] = a[begin2++];
	}
	// 一组数组归并完，将另一组数组剩下的全部归并到后面，结束的那一组将不会进入while循环
	while (begin1 <= end1)
		tmp[index++] = a[begin1++];

	while (begin2 <= end2)
		tmp[index++] = a[begin2++];

	// 把归并好的在tmp的数据，再拷贝回到原数组
	for (int i = left; i <= right; i++)
		a[i] = tmp[i];

}

以上，需要注意的是：
1、当待排序的数组还未有序时，统一归纳为子问题，继续递归下去。直到待排序数组有序时（数组只有一个元素）才开始递归返回，接着执行数组的合并。
2、需要将待合并的两个数组，挨个选取两个数组中最小（升序）/最大（降序）的数放入临时数组tmp中。同时需要注意，临时数组tmp的下标问题。
3、将两个待合并的数组，有序的合并到临时数组tmp，返回上一级递归前，需要将临时数组中合并好的、排好序数组，拷贝回原数组。

以上便是对于归并算法的大体流程，下面是对于该算法的步骤大体总结。

算法步骤

1、分割数组： 将待排序的数组划分为两个相等（或近似相等）大小的子数组。这一步采用分治策略，递归地对子数组进行分割，直到每个子数组包含一个元素。

2、递归排序： 对分割后的子数组进行递归排序。这是通过再次调用归并排序来实现的。

3、合并操作： 将已排序的子数组合并成一个有序数组。合并操作是归并排序的关键步骤，它涉及比较已排序的子数组的元素，并按顺序将它们合并到一个新的数组中。

结合以上的全部学习，让我们给出完整的代码，进行学习上的整合。

代码实现

代码1

// 时间复杂度：O(N*logN)
// 空间复杂度：O(N)
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
   
	if (left >= right)
		return;

	int mid = (left + right) / 2;
	// 分割为两个区间[left,mid]   [mid+1,right]
	//[left,mid] [mid+1,right] 有序，则可以合并，他们还没有序时，子问题解决
	_MergeSort(a, left, mid, tmp);
	_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);

	/*  分解  +   合并  */

	// 归并：递归往回退	（[left,mid]、[mid+1,right]两个区间已经有序）
	int begin1 = left, end1 = mid;
	int begin2 = mid+1, end2 = right;
	int index = begin1;		// 此处注意，tmp起始位置在 left
	while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
	{
   
		if (a[begin1] < a[begin2])
			tmp[index++] = a[begin1++];
		else
			tmp[index++] = a[begin2++];
	}
	// 一组数组归并完，将另一组数组剩下的全部归并到后面，结束的那一组将不会进入while循环
	while (begin1 <= end1)
		tmp[index++] = a[begin1++];

	while (begin2 <= end2)
		tmp[index++] = a[begin2++];

	// 把归并好的在tmp的数据，再拷贝回到原数组
	for (int i = left; i <= right; i++)
		a[i] = tmp[i];


}

// 归并排序 - 递归实现
void MergeSort(int* a, int n)
{
   
	assert(a);

	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);

	_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);

	free(tmp);

}

以上便是对于归并算法的具体代码实现。其中，为了更好的函数封装性。我们可以将具体的合并过程，封装成一个合并函数，使代码可读性更强。如下：

代码优化

//  合并处理函数
void MergeArr(int* a, int begin1, int end1, int begin2, int end2, int* tmp)
{
   
	int left = begin1, right = end2;
	int index = begin1;		// 此处注意，tmp起始位置在 left
	while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)
	{
   
		if (a[begin1] < a[begin2])
			tmp[index++] = a[begin1++];
		else
			tmp[index++] = a[begin2++];
	}
	// 一组数组归并完，将另一组数组剩下的全部归并到后面，结束的那一组将不会进入while循环
	while (begin1 <= end1)
		tmp[index++] = a[begin1++];

	while (begin2 <= end2)
		tmp[index++] = a[begin2++];

	// 把归并好的在tmp的数据，再拷贝回到原数组
	for (int i = left; i <= right; i++)
		a[i] = tmp[i];
}

// 时间复杂度：O(N*logN)
// 空间复杂度：O(N)
void _MergeSort(int* a, int left, int right, int* tmp)
{
   
	if (left >= right)
		return;

	int mid = (left + right) / 2;
	// 分割为两个区间[left,mid]   [mid+1,right]
	//[left,mid] [mid+1,right] 有序，则可以合并，他们还没有序时，子问题解决
	_MergeSort(a, left, mid, tmp);
	_MergeSort(a, mid + 1, right, tmp);

	/*  分解  +   合并  */
	// 归并：递归往回退	（[left,mid]、[mid+1,right]两个区间已经有序）
	MergeArr(a, left, mid, mid + 1, right, tmp);

}

// 归并排序 - 递归实现
void MergeSort(int* a, int n)
{
   
	assert(a);

	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);

	_MergeSort(a, 0, n - 1, tmp);


	free(tmp);

}

以上便是封装性更佳的归并算法。

时间复杂度

O(N*logN)

归并排序有点类似于二叉树中的后序遍历。先将数组平分、平分，直到最后不能再分时，再合并返回。
因为递归的高度为logN，而合并的过过程，每一层可以归纳统计认为是N。
因此归并排序的时间复杂度为：O(N*logN)。

空间复杂度

O(N)
该算法需要用到额外开辟的数组。数组大小为待排序数组的大小。故空间复杂度为O(N)。
（N为待排序数组的个数）

特性总结

1、 归并的缺点在于需要O(N)的空间复杂度，归并排序的思考更多的是解决在磁盘中的外排序问
题。
2、时间复杂度：O(N*logN)
3、空间复杂度：O(N)
4、稳定性：稳定