堆排序（Heapsort）是指利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆积是一个近似完全二叉树的结构，并同时满足堆积的性质：即子结点的键值或索引总是小于（或者大于）它的父节点。堆排序可以说是一种利用堆的概念来排序的选择排序。分为两种方法：

  1. 大顶堆：每个节点的值都大于或等于其子节点的值，在堆排序算法中用于升序排列；
  2. 小顶堆：每个节点的值都小于或等于其子节点的值，在堆排序算法中用于降序排列；

堆排序的平均时间复杂度为 Ο(nlogn)。

1. 算法步骤

  1. 创建一个堆 H[0……n-1]；

  2. 把堆首（最大值）和堆尾互换；

  3. 把堆的尺寸缩小 1，并调用 shift_down(0)，目的是把新的数组顶端数据调整到相应位置；

  4. 重复步骤 2，直到堆的尺寸为 1。

2. 动图演示

假设有一个待排序的列表 [4, 10, 3, 5, 1]，堆排序的过程如下：

  1. 构建最大堆：

    • 初始列表：[4, 10, 3, 5, 1]。

    • 从最后一个非叶子节点开始，逐步调整堆：

      • 调整节点 5：[4, 10, 3, 5, 1]（无需调整）。

      • 调整节点 10：[4, 10, 3, 5, 1]（无需调整）。

      • 调整节点 4：[10, 5, 3, 4, 1]。

    • 最终最大堆：[10, 5, 3, 4, 1]。

  2. 交换堆顶元素：

    • 将堆顶元素 10 与最后一个元素 1 交换，列表变为 [1, 5, 3, 4, 10]。

    • 堆的大小减 1，已排序部分为 [10]。

  3. 调整堆：

    • 对新的堆顶元素 1 进行下沉操作：

      • 比较 1 和其子节点 5、3，将 1 与 5 交换。

      • 列表变为 [5, 1, 3, 4, 10]。

      • 继续比较 1 和其子节点 4，将 1 与 4 交换。

      • 列表变为 [5, 4, 3, 1, 10]。

    • 调整后的堆：[5, 4, 3, 1]。

  4. 重复步骤：

    • 将堆顶元素 5 与最后一个元素 1 交换，列表变为 [1, 4, 3, 5, 10]。

    • 堆的大小减 1，已排序部分为 [5, 10]。

    • 对新的堆顶元素 1 进行下沉操作：

      • 比较 1 和其子节点 4、3，将 1 与 4 交换。

      • 列表变为 [4, 1, 3, 5, 10]。

    • 调整后的堆：[4, 1, 3]。

  5. 继续重复：

    • 将堆顶元素 4 与最后一个元素 3 交换，列表变为 [3, 1, 4, 5, 10]。

    • 堆的大小减 1，已排序部分为 [4, 5, 10]。

    • 对新的堆顶元素 3 进行下沉操作：

      • 比较 3 和其子节点 1，无需交换。

    • 调整后的堆：[3, 1]。

  6. 最终步骤：

    • 将堆顶元素 3 与最后一个元素 1 交换，列表变为 [1, 3, 4, 5, 10]。

    • 堆的大小减 1，已排序部分为 [3, 4, 5, 10]。

    • 堆的大小为 1，排序完成。

实例

def heapify(arr, n, i):
    # 找到当前节点、左子节点和右子节点中的最大值
    largest = i
    left = 2 * i + 1
    right = 2 * i + 2

    if left < n and arr[left] > arr[largest]:
        largest = left
    if right < n and arr[right] > arr[largest]:
        largest = right

    # 如果最大值不是当前节点，交换并继续调整
    if largest != i:
        arr[i], arr[largest] = arr[largest], arr[i]
        heapify(arr, n, largest)

def heap_sort(arr):
    n = len(arr)

    # 构建最大堆
    for i in range(n // 2 - 1, -1, -1):
        heapify(arr, n, i)

    # 逐个取出堆顶元素并调整堆
    for i in range(n - 1, 0, -1):
        arr[0], arr[i] = arr[i], arr[0]  # 交换堆顶元素和最后一个元素
        heapify(arr, i, 0)  # 调整堆

    return arr

# 示例
arr = [4, 10, 3, 5, 1]
sorted_arr = heap_sort(arr)
print(sorted_arr)  # 输出: [1, 3, 4, 5, 10]

时间复杂度

  • 构建最大堆：O(n)。

  • 每次调整堆：O(log n)，总共需要调整 n-1 次。

  • 总时间复杂度：O(n log n)。

空间复杂度

  • O(1)，堆排序是原地排序算法，不需要额外的存储空间。

优缺点

  • 优点：

    • 时间复杂度稳定为 O(n log n)，适合大规模数据。

    • 原地排序，不需要额外的存储空间。

  • 缺点：

    • 不稳定排序算法（可能改变相同元素的相对顺序）。

    • 对于小规模数据，性能可能不如插入排序等简单算法。

适用场景

  • 大规模数据集的排序。

  • 对性能要求较高的场景。

  • 适合内存排序（不适合外部排序）。

代码实现

JavaScript

实例

var len;    // 因为声明的多个函数都需要数据长度，所以把len设置成为全局变量

function buildMaxHeap(arr) {   // 建立大顶堆
    len = arr.length;
    for (var i = Math.floor(len/2); i >= 0; i--) {
        heapify(arr, i);
    }
}

function heapify(arr, i) {     // 堆调整
    var left = 2 * i + 1,
        right = 2 * i + 2,
        largest = i;

    if (left < len && arr[left] > arr[largest]) {
        largest = left;
    }

    if (right < len && arr[right] > arr[largest]) {
        largest = right;
    }

    if (largest != i) {
        swap(arr, i, largest);
        heapify(arr, largest);
    }
}

function swap(arr, i, j) {
    var temp = arr[i];
    arr[i] = arr[j];
    arr[j] = temp;
}

function heapSort(arr) {
    buildMaxHeap(arr);

    for (var i = arr.length-1; i > 0; i--) {
        swap(arr, 0, i);
        len--;
        heapify(arr, 0);
    }
    return arr;
}

Python

实例

def buildMaxHeap(arr):
    import math
    for i in range(math.floor(len(arr)/2),-1,-1):
        heapify(arr,i)

def heapify(arr, i):
    left = 2*i+1
    right = 2*i+2
    largest = i
    if left < arrLen and arr[left] > arr[largest]:
        largest = left
    if right < arrLen and arr[right] > arr[largest]:
        largest = right

    if largest != i:
        swap(arr, i, largest)
        heapify(arr, largest)

def swap(arr, i, j):
    arr[i], arr[j] = arr[j], arr[i]

def heapSort(arr):
    global arrLen
    arrLen = len(arr)
    buildMaxHeap(arr)
    for i in range(len(arr)-1,0,-1):
        swap(arr,0,i)
        arrLen -=1
        heapify(arr, 0)
    return arr

Go

实例

func heapSort(arr []int) []int {
        arrLen := len(arr)
        buildMaxHeap(arr, arrLen)
        for i := arrLen - 1; i >= 0; i-- {
                swap(arr, 0, i)
                arrLen -= 1
                heapify(arr, 0, arrLen)
        }
        return arr
}

func buildMaxHeap(arr []int, arrLen int) {
        for i := arrLen / 2; i >= 0; i-- {
                heapify(arr, i, arrLen)
        }
}

func heapify(arr []int, i, arrLen int) {
        left := 2*i + 1
        right := 2*i + 2
        largest := i
        if left < arrLen && arr[left] > arr[largest] {
                largest = left
        }
        if right < arrLen && arr[right] > arr[largest] {
                largest = right
        }
        if largest != i {
                swap(arr, i, largest)
                heapify(arr, largest, arrLen)
        }
}

func swap(arr []int, i, j int) {
        arr[i], arr[j] = arr[j], arr[i]
}

Java

实例

public class HeapSort implements IArraySort {

    @Override
    public int[] sort(int[] sourceArray) throws Exception {
        // 对 arr 进行拷贝，不改变参数内容
        int[] arr = Arrays.copyOf(sourceArray, sourceArray.length);

        int len = arr.length;

        buildMaxHeap(arr, len);

        for (int i = len - 1; i > 0; i--) {
            swap(arr, 0, i);
            len--;
            heapify(arr, 0, len);
        }
        return arr;
    }

    private void buildMaxHeap(int[] arr, int len) {
        for (int i = (int) Math.floor(len / 2); i >= 0; i--) {
            heapify(arr, i, len);
        }
    }

    private void heapify(int[] arr, int i, int len) {
        int left = 2 * i + 1;
        int right = 2 * i + 2;
        int largest = i;

        if (left < len && arr[left] > arr[largest]) {
            largest = left;
        }

        if (right < len && arr[right] > arr[largest]) {
            largest = right;
        }

        if (largest != i) {
            swap(arr, i, largest);
            heapify(arr, largest, len);
        }
    }

    private void swap(int[] arr, int i, int j) {
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = temp;
    }

}

PHP

实例

function buildMaxHeap(&$arr)
{
    global $len;
    for ($i = floor($len/2); $i >= 0; $i--) {
        heapify($arr, $i);
    }
}

function heapify(&$arr, $i)
{
    global $len;
    $left = 2 * $i + 1;
    $right = 2 * $i + 2;
    $largest = $i;

    if ($left < $len && $arr[$left] > $arr[$largest]) {
        $largest = $left;
    }

    if ($right < $len && $arr[$right] > $arr[$largest]) {
        $largest = $right;
    }

    if ($largest != $i) {
        swap($arr, $i, $largest);
        heapify($arr, $largest);
    }
}

function swap(&$arr, $i, $j)
{
    $temp = $arr[$i];
    $arr[$i] = $arr[$j];
    $arr[$j] = $temp;
}

function heapSort($arr) {
    global $len;
    $len = count($arr);
    buildMaxHeap($arr);
    for ($i = count($arr) - 1; $i > 0; $i--) {
        swap($arr, 0, $i);
        $len--;
        heapify($arr, 0);
    }
    return $arr;
}

C

实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *b;
    *b = *a;
    *a = temp;
}

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) {
    int i;
    // 初始化，i從最後一個父節點開始調整
    for (i = len / 2 - 1; i >= 0; i--)
        max_heapify(arr, i, len - 1);
    // 先將第一個元素和已排好元素前一位做交換，再重新調整，直到排序完畢
    for (i = len - 1; i > 0; i--) {
        swap(&arr[0], &arr[i]);
        max_heapify(arr, 0, i - 1);
    }
}

int main() {
    int arr[] = { 3, 5, 3, 0, 8, 6, 1, 5, 8, 6, 2, 4, 9, 4, 7, 0, 1, 8, 9, 7, 3, 1, 2, 5, 9, 7, 4, 0, 2, 6 };
    int len = (int) sizeof(arr) / sizeof(*arr);
    heap_sort(arr, len);
    int i;
    for (i = 0; i < len; i++)
        printf("%d ", arr[i]);
    printf("\n");
    return 0;
}

C++

实例

#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 - 1);
    // 先將第一個元素和已经排好的元素前一位做交換，再從新調整(刚调整的元素之前的元素)，直到排序完畢
    for (int i = len - 1; i > 0; i--) {
        swap(arr[0], arr[i]);
        max_heapify(arr, 0, i - 1);
    }
}

int main() {
    int arr[] = { 3, 5, 3, 0, 8, 6, 1, 5, 8, 6, 2, 4, 9, 4, 7, 0, 1, 8, 9, 7, 3, 1, 2, 5, 9, 7, 4, 0, 2, 6 };
    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;
}

参考文章：

https://github.com/hustcc/JS-Sorting-Algorithm/blob/master/7.heapSort.md

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A0%86%E6%8E%92%E5%BA%8F