分段双调排序 - Shuai-Xie -Github
问题说明
给出分成 m 段的 n 个浮点数，输入数据已按段号有序，但每段内部无序。
用 C/C++ 编写一个分段双调排序(Bitonic sort)函数，对每一段内部的浮点数进行排序，但不要改变段间的位置。
1. 接口方式
// 分段双边排序
void segmentedBitonicSort(float* data, int* seg_id, int* seg_start, int n, int m);
- data 包含需要分段排序的 n 个 float 值（由下面的 seg_id 可知是表示多段的数据）
- seg_id 给出 data 中 n 个元素各自所在的段编号
- seg_start 共有 m+1 个元素，前 m 个分别给出 0..m-1 共 m 个段的起始位置，seg_start[m] = n
- n 表示 data 中包含 n 个数据
- m 表示 data 分为 m 段数据
由题意得，m <= n，因为 data 某一段可能有多于 1 个数据，这种情况下：m < n
seg_id 中的元素保证单调不下降，即对任意的 i < j，seg_id[i] <= seg_id[j]
seg_id 所有元素均在 0 到 m-1 范围内。（因为是段 id，m 段就是0..m-1）
2. 输入输出
输入
float data[5] = {0.8, 0.2, 0.4, 0.6, 0.5};
int seg_id[5] = {0, 0, 1, 1, 1}; // 0,1 所在位置元素对应的段id
int seg_start[3] = {0, 2, 5}; // 表示第1段从0开始:{0.8, 0.2}，第2段从2开始:{0.4, 0.6, 0.5}
int n = 5; // 总共5个数
int m = 2; // 2段
输出
float data[5] = {0.2, 0.8, 0.4, 0.5, 0.6};
3. 其他要求
3.1 注意
- 必须使用双调排序算法进行排序。
- 可以直接使用从网上下载的双调排序代码，但须注明出处。
3.2 加分挑战（非必需）
- 不递归：segmentedBitonicSort 函数及其所调用的任何其他函数都不得直接或间接地进行递归。
- 不调用函数：segmentedBitonicSort 不调用除标准库函数外的任何其他函数。
- 内存高效：segmentedBitonicSort 及其所调用的任何其他函数都不得进行动态内存分配，包括malloc、new和静态定义的STL容器。
- 可并行：segmentedBitonicSort 涉及到的所有时间复杂度O(n)以上的代码都写在for循环中，而且每个这样的for循环内部的循环顺序可以任意改变，不影响程序结果。注：自己测试时可以用rand()决定循环顺序。
- 不需内存：segmentedBitonicSort 不调用任何函数（包括C/C++标准库函数）， 不使用全局变量，所有局部变量都是int、float或指针类型，C++程序不使用new关键字。
- 绝对鲁棒：在输入数据中包含 NaN 时（例如
sqrt(-1.0))，保证除NaN以外的数据正确排序，NaN的个数保持不变。
NaN，是 Not a Number 的缩写。
NaN 用于处理计算中出现的错误情况，比如 0.0 除以 0.0 或者求负数的平方根。
你的程序每满足以上的一个条件都可以获得额外的加分。
3.3 应提交的结果
- 算法描述；
- 尝试过和完成了的加分挑战；
- 可以独立运行的源代码；
- 测试数据；
- 性能分析；
- 测试的起始和完成时间以及实际使用的时间。
3.4 提示
- 利用好网上资源。
- 尽量利用输入中的冗余信息。
- 利用好位操作。 （>>1）
解答
1. 递归分段双调排序
#include
#include
using namespace std;
/**
* @param arr 小数数列
* @param len 数列长度
* @param w 输出单个小数的长度
* @param precision 小数的精度
*/
void printFloatArr(float *arr, int len) {
for (int i = 0; i < len; ++i) {
cout << setw(4) << arr[i];
}
cout << endl;
}
int getGreatest2nLessThan(int len) {
int k = 1;
while (k < len) k = k << 1; // 注意一定要加k=
return k >> 1;
}
// 任意双调排序归并
void bitonicMergeAnyN(float *arr, int len, bool asd = true) {
if (len > 1) {
int m = getGreatest2nLessThan(len);
for (int i = 0; i < len - m; ++i) {
if (arr[i] > arr[i + m] == asd)
swap(arr[i], arr[i + m]); // 根据asd判断是否交换
}
bitonicMergeAnyN(arr, m, asd); // 一般情况下，m > len-m
bitonicMergeAnyN(arr + m, len - m, asd);
}
}
// 双调排序
void bitonicSort(float *arr, int len, bool asd) { // asd 升序
if (len > 1) {
int m = len / 2;
bitonicSort(arr, m, !asd); // 前半降序
bitonicSort(arr + m, len - m, asd); // 后半升序
bitonicMergeAnyN(arr, len, asd);
}
}
/**
* 分段双调排序
* @param data 原始数据
* @param seg_id data 中 n 个元素各自所在的段编号
* @param seg_start 共有 m+1 个元素，前 m 个分别给出 0..m-1 共 m 个段的起始位置，seg_start[m] = n
* @param n data 中包含 n 个数据
* @param m data 分为 m 段数据
*/
void segmentedBitonicSort(float *data, int *seg_id, int *seg_start, int n, int m) {
bool asd = true;
for (int i = 0; i < m; ++i) {
float *arr = data + seg_start[i]; // 数列起点
int len = seg_start[i + 1] - seg_start[i]; // 数列长度
bitonicSort(arr, len, asd);
cout << "段 " << i << ": ";
printFloatArr(arr, len);
}
}
int main() {
float data[7] = {0.8, 0.2, 0.4, 0.6, 0.5, 0.2, 0.1}; // 数列
int seg_id[7] = {0, 0, 1, 1, 1, 2, 2}; // id
int seg_start[4] = {0, 2, 5, 7}; // 段首位置
int n = 7; // 数据长度
int m = 3; // 数据段数
segmentedBitonicSort(data, seg_id, seg_start, n, m);
}
段 0: 0.2 0.8
段 1: 0.4 0.5 0.6
段 2: 0.1 0.2
2. 解决NaN问题
在归并的时候，遇到NaN型数据，就直接跳到下一个数据。
// 任意双调排序归并
void bitonicMergeAnyN(float *arr, int len, bool asd = true) {
if (len > 1) {
int m = getGreatest2nLessThan(len);
for (int i = 0; i < len - m; ++i) {
// 解决NaN问题
int low = i;
while (arr[low] == NaN) low++;
int high = i + m;
while (arr[high] == NaN) high++;
// 核心代码
if (arr[low] > arr[high] == asd)
swap(arr[low], arr[high]); // 根据asd判断是否交换
}
bitonicMergeAnyN(arr, m, asd); // 一般情况下，m > len-m
bitonicMergeAnyN(arr + m, len - m, asd);
}
}
完整代码
#include
#include
#include
#define NaN (float)sqrt(-1.0)
using namespace std;
/**
* @param arr 小数数列
* @param len 数列长度
* @param w 输出单个小数的长度
* @param precision 小数的精度
*/
void printFloatArr(float *arr, int len) {
for (int i = 0; i < len; ++i) {
if (arr[i] == NaN) cout << setw(5) << "NaN";
else cout << setw(5) << arr[i];
}
cout << endl;
}
int getGreatest2nLessThan(int len) {
int k = 1;
while (k < len) k = k << 1; // 注意一定要加k=
return k >> 1;
}
// 任意双调排序归并
void bitonicMergeAnyN(float *arr, int len, bool asd = true) {
if (len > 1) {
int m = getGreatest2nLessThan(len);
for (int i = 0; i < len - m; ++i) {
// 解决NaN问题
int low = i;
while (arr[low] == NaN) low++;
int high = i + m;
while (arr[high] == NaN) high++;
if (arr[low] > arr[high] == asd)
swap(arr[low], arr[high]); // 根据asd判断是否交换
}
bitonicMergeAnyN(arr, m, asd); // 一般情况下，m > len-m
bitonicMergeAnyN(arr + m, len - m, asd);
}
}
// 双调排序
void bitonicSort(float *arr, int len, bool asd) { // asd 升序
if (len > 1) {
int m = len / 2;
bitonicSort(arr, m, !asd); // 前半降序
bitonicSort(arr + m, len - m, asd); // 后半升序
bitonicMergeAnyN(arr, len, asd);
}
}
/**
* 分段双调排序
* @param data 原始数据
* @param seg_id data 中 n 个元素各自所在的段编号
* @param seg_start 共有 m+1 个元素，前 m 个分别给出 0..m-1 共 m 个段的起始位置，seg_start[m] = n
* @param n data 中包含 n 个数据
* @param m data 分为 m 段数据
*/
void segmentedBitonicSort(float *data, int *seg_id, int *seg_start, int n, int m) {
bool asd = true;
for (int i = 0; i < m; ++i) {
float *arr = data + seg_start[i];
int len = seg_start[i + 1] - seg_start[i];
bitonicSort(arr, len, asd);
cout << "段 " << i << ": ";
printFloatArr(arr, len);
}
}
int main() {
float data[11] = {0.8, 0.2, 0.4, NaN, 0.6, 0.5, NaN, 0.2, 0.1, NaN, 0.01}; // 数列
int seg_id[11] = {0, 0, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2}; // id
int seg_start[4] = {0, 2, 6, 11}; // 段首位置
int n = 11; // 数据长度
int m = 3; // 数据段数
segmentedBitonicSort(data, seg_id, seg_start, n, m);
}
段 0: 0.2 0.8
段 1: 0.4 NaN 0.5 0.6
段 2: NaN 0.01 0.1 NaN 0.2