《算法导论》第6章 堆排序 (3)K路归并

时间:2022-08-08 19:34:15



问题描述:

问题来自习题6.5-8 给出一个时间为O(nlgk),用来将k个已排序链表合并为一个排序链表的算法。
此处n为所有输入链表中元素的总数。(提示:用一个最小堆来做k路合并)。

在K路归并问题中,取出最小堆的根元素(最小元素)后,如果此元素没有后继元素(next为空),
则有两种方案:
一、从K路中的另一个链表取出一个元素放到根位置。
二、将堆底部最后一个元素挪到根位置,并将堆大小减一。

此处采用方案二。堆大小每减一,说明K路中某一个链表已处理完。
当堆大小为零时,处理结束。


源码与注释:

// 链表结点类
class Node {
        int   value ;
       Node  next ;
}

public  class  KMerge {

        public  static  void  main(String[] args) {

              // 创建五路链表
              LinkedList<Node> list1 = createList(2, 5, 8, 10);
              LinkedList<Node> list2 = createList(3, 4, 14);
              LinkedList<Node> list3 = createList(9, 11, 13, 15, 18);
              LinkedList<Node> list4 = createList(7, 12, 17, 22, 25);
              LinkedList<Node> list5 = createList(6, 16, 19, 21);
              
              LinkedList<LinkedList<Node>> kLists =  new  LinkedList<LinkedList<Node>>();
              kLists.add(list1);
              kLists.add(list2);
              kLists.add(list3);
              kLists.add(list4);
              kLists.add(list5);
              
              // 开始归并
              LinkedList<Node> resultList = kMerge(kLists);
              
               for  (Node node : resultList) {
                     System. out .print(node. value  +  ", " );
              }
              System. out .println();
       }
       
        public  static  LinkedList<Node> kMerge(LinkedList<LinkedList<Node>> kLists) {
               int  heapSize = kLists.size();
              Node[] heap =  new  Node[heapSize + 1];
              
              // 取出K路中每个链表的第一个元素,用来建堆。
               for  ( int  i = 1; i <= heapSize; i++)
                     heap[i] = kLists.get(i - 1).getFirst();
              
              buildMaxHeap(heap, heapSize);
              
              LinkedList<Node> resultList =  new  LinkedList<Node>();
               while  (heapSize > 0) {

                     // 将根位置的最小元素取出到结果中。
                     Node minNode = heap[1];
                     resultList.add(minNode);

                     // 后继为空,则将堆尾元素挪到根位置。
                     // 否则将后继元素添加到堆中。
                      if  (minNode. next  ==  null ) {
                           heap[1] = heap[heapSize];
                           heapSize -= 1;
                     }
                      else  {
                           heap[1] = minNode. next ;
                     }

                     // 根位置的堆性质被破坏,重新恢复。
                     minHeapify(heap, heapSize, 1);
              }
               return  resultList;
       }

        public  static  void  buildMaxHeap(Node[] heap,  int  heapSize) {
               for  ( int  i = heapSize / 2; i >= 1; i--)
                     minHeapify(heap, heapSize, i);
       }
       
        public  static  void  minHeapify(Node[] heap,  int  heapSize,  int  i) {
               int  left = 2 * i;
               int  right = 2 * i + 1;
               int  min = i;
              
               if  (left <= heapSize && heap[left]. value  < heap[i]. value )
                     min = left;
               if  (right <= heapSize && heap[right]. value  < heap[min]. value )
                     min = right;
              
               if  (min != i) {
                     Node tmp = heap[i];
                     heap[i] = heap[min];
                     heap[min] = tmp;
                     minHeapify(heap, heapSize, min);
              }
       }
       
        public  static  LinkedList<Node> createList( int ... values) {
              LinkedList<Node> list =  new  LinkedList<Node>();
              Node preNode =  null ;
               for  ( int  value : values) {
                     Node node =  new  Node();
                     node. value  = value;
                      if  (preNode !=  null )
                           preNode. next  = node;
                     list.add(node);
                     preNode = node;
              }
               return  list;
       }
       
}


效率分析:

堆的大小为K,调用buildMaxHeap()建堆花费KlgK。剩余元素为N - K个。
每次取出根元素,放入后继元素后,调用maxHeapify()保持堆性质花费lgK。
所以总的时间为KlgK + (N - K)lgK = NlgK。