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内部排序(六):基数排序 Radix Sort

程序员文章站 2022-06-04 09:38:05
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作为数据结构的课程笔记,以便查阅。如有出错的地方,还请多多指正!

注:C++忘得太厉害了。。算法先用C实现,等之后复习了再改成C++

多关键字排序 Multi-key Sort

  • 基数排序是一种借助“多关键字排序”的思想来实现“单逻辑关键字排序”的内部排序算法

最高位优先法(MSD-Most Significant Digit first)

  • 先对最高位关键字k1k_1排序,将序列分成若干子序列,每个子序列有相同的k1k_1
  • 然后分别就每个子序列对次关键字k2k_2排序,又分成若干更小的子序列
  • 依次重复,直至对关键字kd1k_{d-1}排序
  • 分别就每个子序列对最低位关键字kdk_d排序
  • 最后将所有子序列依次连接在一起成为一个有序序列

MSD——必须将序列逐层分割成若干子序列,再对各子序列分别排序

最低位优先法(LSD-Least Significant Digit first)

  • 从最低位关键字kdk_d起进行排序,再对高一位关键字排序
  • 依次重复,直至对最高位关键字k1k_1排序后,成为一个有序序列

LSD——不必逐层分割成子序列,并且可不通过关键字比较,而通过若干次分配与收集实现排序

链式基数排序 Linked Radix Sort

  • 对于多关键字的记录序列,通常利用LSD法借助“分配-收集”进行排序

  • 对于数字型或字符型的单逻辑关键字,可以看成是由多个数位或多个字符构成的多关键字(例如三位数的排序可以看作有3个关键字:百位、十位、个位),也可以采用“分配-收集”的排序方法

  • 链式基数排序:用静态链表作存储结构的基数排序

排序过程

思路

  • 设置10个队列,f[i]e[i]分别为第i个队列的头指针和尾指针
  • 第一趟分配最低位关键字(个位)进行,将链表中记录分配至10个链队列中,每个队列记录的关键字的个位相同
  • 第一趟收集是改变非空队列的队尾记录指针域,令其指向下一个非空队列的队头记录,将10个队列连成一个链表
  • 重复上述两步,进行第二趟、第三趟分配和收集,分别对十位、百位进行,最后得到一个有序序列

内部排序(六):基数排序 Radix Sort
内部排序(六):基数排序 Radix Sort
内部排序(六):基数排序 Radix Sort

算法实现

  • 将数据存储在如下的静态链表中,每个结点都有数据域和指针域nextnext中存的是链表中下一个结点在数组中的索引。第0个结点为头结点,不存数据,它指示了第一个结点的位置。数据域为1个数组,在里面存各个关键字(十进制数的不同位),默认0号关键字为最次要关键字(个位)

下图表示的链表即为1->2->3->4->5->6
内部排序(六):基数排序 Radix Sort

#define MAX_SIZE 		100 //待排元素个数的最大值
#define MAX_KEY_NUM		8 //最多的关键字个数 这里默认最大为8位数

//静态链表结点
typedef struct {
	int keys[MAX_KEY_NUM];
	int next;
}SLCell_t;

//静态链表
typedef struct {
	SLCell_t data[MAX_SIZE+1];
	int keyNum; //关键字个数
	int len; //静态链表长度
}SLList_t;
  • 设置队尾和队首指针。因为要比较的是10进制数的大小,基数为10,因此10个队尾指针和10个队首指针都分别用1个大小为10的int数组表示。指针域中存的值也为数据在静态链表的数组中的索引
#define RADIX			10 //关键字基数 这里排序的是10进制数,因此基数为10
typedef int PtrArr_t[RADIX]; //指针数组类型
  • 一趟分配:先清空队首指针,遍历静态链表,依次将各个元素分配到不同队列中。要注意算法实现时并非是真的额外增加了10个队列,而是只更新队首和队尾指针,并更新对应的静态链表的指针域
//按照第 key_index 个关键字进行一趟分配
void Distribute(SLList_t* sllist, int key_index, PtrArr_t* f, PtrArr_t* e)
{
	//清空队首指针
	for (int i = 0; i < RADIX; ++i)
	{
		(*f)[i] = 0;
	}

	for (int p = sllist->data[0].next; p; p = sllist->data[p].next)
	{
		int key = sllist->data[p].keys[key_index];

		if (!(*f)[key])
		{
			(*f)[key] = p;
		}
		else {
			sllist->data[(*e)[key]].next = p;
		}
		(*e)[key] = p;
	}
}
  • 一趟收集:先将静态链表中的0号元素的指针域指向第一个非空队列的队首指针所指元素,之后将相邻的非空队列队首和队尾指针所指元素两两连接,然后将最后一个非空队列的队尾指针所指元素的指针域指向0表示链表尾
void Collect(SLList_t* sllist, PtrArr_t* f, PtrArr_t* e)
{
	int i;

	//找到第一个非空队列
	for (i = 0; (*f)[i] == 0; ++i)
	{
	}
	sllist->data[0].next = (*f)[i];
	
	for (int j = i + 1; j < RADIX; ++j)
	{
		if ((*f)[j])
		{
			sllist->data[(*e)[i]].next = (*f)[j];
			i = j;
		}
	}
	sllist->data[(*e)[i]].next = 0;
}
  • 主体部分
void SLList_radix_sort(SLList_t* sllist)
{
	PtrArr_t f, e;

	//初始化静态链表的指针域
	for (int i = 0; i < sllist->len; ++i)
	{
		sllist->data[i].next = i + 1;
	}
	sllist->data[sllist->len].next = 0;

	for (int i = 0; i < sllist->keyNum; ++i)
	{
		Distribute(sllist, i, &f, &e);
		Collect(sllist, &f, &e);
	}
}

void Radix_sort(SqList_t* list)
{
	SLList_t sllist;
	Rec_t tmp[MAX_SIZE + 1];

	sllist.len = list->len;
	sllist.keyNum = MAX_KEY_NUM;
	
	//将数值转换为多关键字,存入静态链表
	for (int i = 1; i < sllist.len + 1; ++i)
	{
		Key_t num = list->rec[i].key;

		for (int j = 0; j < sllist.keyNum; j++)
		{
			sllist.data[i].keys[j] = num % 10;
			num /= 10;
		}
	}

	SLList_radix_sort(&sllist);

	memcpy(tmp, list->rec, (sllist.len + 1) * sizeof(Rec_t));
	int p = sllist.data[0].next;
	for (int i = 1; i < sllist.len + 1; ++i)
	{
		list->rec[i] = tmp[p];
		p = sllist.data[p].next;
	}
}

算法评价

  n:d:rd:设\ \ n:记录数, d:关键字数 , rd:基数

T(n)

  • 一趟分配(将nn个记录分配到相应队列中)
    T(n)=O(n)T(n) = O(n)
  • 一趟收集:将rdrd个队列首尾相连
    T(n)=O(rd)T(n)=O(rd)

T(n)=O(d(n+rd))\therefore T(n)=O(d(n+rd))可以看到,当nn很大时,这个时间复杂度接近于线性

S(n)

需要2rd2rd个队列指针以及nn个指针域
S(n)=O(rd+n)\therefore S(n)=O(rd+n)

是否稳定

  • 稳定