经典排序算法（7）——堆排序算法详解

堆排序（Heap sort）是指利用堆（最大堆、最小堆）这种数据结构所设计的一种排序算法。堆是一个完全二叉树的结构，并同时满足如下性质：即子结点的键值或索引总是小于（或者大于）它的父节点。

一、算法基本思想

（1）基本思想

堆排序的基本思想就是：从最大（小）堆得顶部不断取走堆顶元素放到有序序列中，直到堆的元素被全部取完。堆排序完全依赖于最大（小）堆的相关操作。

（2）运行过程

堆排序算法的运作如下：

1、创建一个最大（小）堆H；

2、把堆首和堆尾元素互换；

3、把堆的大小减1，重新构造一个最大（小）堆；

4、重复步骤2、3，直到堆的大小减少为1。

（3）示例

最大堆的构建：

堆排序过程：

二、算法实现（核心代码）

C++实现：

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;void max_heapify(int arr[], int start, int end) {//建立父節點指標和子節點指標int dad = start;int son = dad * 2 + 1;while (son < end) { //若子節點指標在範圍內才做比較if (son + 1 < end && arr[son] < arr[son + 1]) //先比較兩個子節點大小，選擇最大的son++;if (arr[dad] > arr[son]) //如果父節點大於子節點代表調整完畢，直接跳出函數return;else { //否則交換父子內容再繼續子節點和孫節點比較swap(arr[dad], arr[son]);dad = son;son = dad * 2 + 1;}}
}void heap_sort(int arr[], int len) {//初始化，i從最後一個父節點開始調整for (int i = len / 2 - 1; i >= 0; i--)max_heapify(arr, i, len);//先將第一個元素和已排好元素前一位做交換，再從新調整，直到排序完畢for (int i = len - 1; i > 0; i--) {swap(arr[0], arr[i]);max_heapify(arr, 0, i);}
}int main() {int arr[] = { 4, 1, 3, 2, 16, 9, 10, 14, 8, 7};int len = (int) sizeof(arr) / sizeof(*arr);heap_sort(arr, len);for (int i = 0; i < len; i++)cout << arr[i] << ' ';cout << endl;return 0;
}

三、性能（算法时间、空间复杂度、稳定性）分析