005 堆排序（二）原地堆排序

原地堆排序思想

• 对于已经“堆化”的数据，堆顶的元素是最大的，对应到数组就是数组的第一个元素是最大的，原地的堆排序就是以这个性质作为出发点的；
• 将堆顶元素和最后一个元素交换，最大的元素就归位了；
• 对新换到堆顶的元素做下沉操作，使其落在堆的合适位置，此时除了已归位到数组最后的“大家伙”们，整个数组还是满足堆的性质的；
• 继续对堆顶的元素和现存的未归位序列的最后一个元素交换；

算法实现

• 先对待排序的数组heapify；
• 再拿堆顶元素和最后一个元素换，换上堆顶的元素做个下沉操作；

// 不使用一个额外的最大堆, 直接在原数组上进行原地的堆排序
public class HeapSort {

    // 我们的算法类不允许产生任何实例
    private HeapSort(){}

    public static void sort(Comparable[] arr){

        int n = arr.length;

        // 注意，此时我们的堆是从0开始索引的
        // 从(最后一个元素的索引-1)/2开始
        // 最后一个元素的索引 = n-1
        for( int i = (n-1-1)/2 ; i >= 0 ; i -- )
            shiftDown(arr, n, i);

        for( int i = n-1; i > 0 ; i-- ){
            swap(arr, 0, i);
            shiftDown(arr, i, 0);
        }
    }

    // 交换堆中索引为i和j的两个元素
    private static void swap(Object[] arr, int i, int j){
        Object t = arr[i];
        arr[i] = arr[j];
        arr[j] = t;
    }

    // 原始的shiftDown过程
    private static void shiftDown(Comparable[] arr, int n, int k){

        while( 2*k+1 < n ){
            int j = 2*k+1;
            if( j+1 < n && arr[j+1].compareTo(arr[j]) > 0 )
                j += 1;

            if( arr[k].compareTo(arr[j]) >= 0 )break;

            swap( arr, k, j);
            k = j;
        }
    }

    // 优化的shiftDown过程, 使用赋值的方式取代不断的swap,
    // 该优化思想和我们之前对插入排序进行优化的思路是一致的
    private static void shiftDown2(Comparable[] arr, int n, int k){

        Comparable e = arr[k];
        while( 2*k+1 < n ){
            int j = 2*k+1;
            if( j+1 < n && arr[j+1].compareTo(arr[j]) > 0 )
                j += 1;

            if( e.compareTo(arr[j]) >= 0 )
                break;

            arr[k] = arr[j];
            k = j;
        }

        arr[k] = e;
    }

    // 测试 HeapSort
    public static void main(String[] args) {

        int N = 1000000;
        Integer[] arr = SortTestHelper.generateRandomArray(N, 0, 100000);
        SortTestHelper.testSort("_04.HeapSort", arr);

        return;
    }
}