02-希尔排序(Shell Sort)--(C语言)

By Simpsons contributor - Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=16020133

前言

希尔排序算法其本质就是插入排序,是直接插入排序算法的一种改进,因 D.L shell 于 1959 年提出而得名,通常我们也称希尔排序为缩小增量排序,所谓增量,即将待排序的序列按该增量分割一个或多个子序列,所谓缩小,即当以某个增量分成的所有子序列都排序完后,增量会逐渐缩小(ps:最后一定会缩小到1)。如:先以3为增量,则将待排序的序列下标1、4、7···分成一组,将下标为2、5、8···分成另一组···,当以3为增量分割的所有子序列都排序好后(默认递增),再以1为增量分割该序列(ps:其实就是对基本有序的序列进行直接插入排序),最后完成整个希尔排序。

希尔排序算法依然可采用嵌套 for 循环的方式实现,本文将只采用递归的方法实现该算法。对于 for 循环的方式,感兴趣的童鞋可以参考笔者之前写的一篇文章哥德巴赫猜想。下面我们开始进入正题。

分析

我们以下面10个数字组成的序列来做分析:

13, 12, 2, 22, 16, 11, 10, 1, 21, 15

首先我们要明白希尔排序算法的执行时间依赖于增量序列,关于增量序列,要注意两点:

  1. 增量序列最后一个增量必须为1.
  2. 应尽量避免增量序列中的值互为倍数(避免重复排序),如:1、2、4、8。

针对上面给出的序列,我们以5、3、1为增量序列,下面模拟排序,以增量5为例,下面是每个子序列完成排序后的结果:

  • 13 12 2 22 16 11 10 1 21 15 // 待排序序列
  • 11 12 2 22 16 13 10 1 21 15 //11 与 13 互换
  • 11 10 2 22 16 13 12 1 21 15 //10 与 12 互换
  • 11 10 1 22 16 13 12 2 21 15 //1 与 2 互换
  • 11 10 1 21 16 13 12 2 22 15 //21 与 22 互换
  • 11 10 1 21 15 13 12 2 22 16 //15 与 16 互换

此时以5为增量分割的五个子序列都已排序完成:

  • 11 10 1 21 15 13 12 2 22 16

然后在对上面得出的结果以增量3进行分割,重复相同的操作,最后在以1为增量进行分割(即进行一趟直接插入排序),从而完成希尔排序。

思路

采用递归方式,上文也提到过,希尔排序本质就是一种插入排序,是直接插入排序的一种改进。通过上述分析,我们可以划分如下几个步骤:

  1. 递归增量序列。
  2. 递归增量分割的所有子序列。
  3. 针对子序列进行直接插入排序(递归方式)。
  4. 返回步骤1,知道增量序列递归完毕。

针对这几个步骤,我们来把握一个临界值:

  • 只有当前增量 delta > 1 时,我们才需要继续递归增量序列,反之,代表希尔排序已经完成。

实现

通过上述分析,想必大部分读者已经有思路,现在我们上代码。程序主要分四个模块:

  1. 专门处理特定子序列排序递归函数(采用直接插入排序)

    
    /**
    针对特定子序列进行直接插入排序,比较每一趟排序的数字并排排序
    
    @param data 待排序的序列
    @param tmp 寻找插入位置的当前元素
    @param n 序列长度
    @param delta 本趟排序增量
    */
    int StraightInsertionSortInnerRecursionCompare(int data[], int tmp, int n,  int delta) {
        if (n < 0) return n + delta; // 直接返回当前比较待插入的位置
        if (tmp < data[n]) {
           data[n + delta] = data[n]; // 把大的元素往后挪
        }else {
            return n + delta; // 返回当前比较待插入的位置
        }
        return StraightInsertionSortInnerRecursionCompare(data, tmp, n - delta, delta);// 子序列递归方式排序
    

}
// 得出索引值
int StraightInsertionSortInnerRecursionIndex(int data[], int n, int delta) {
return StraightInsertionSortInnerRecursionCompare(data, data[n], n - delta, delta);
}

```
  1. 处理所有子序列排序的递归函数

    
    // 递归增量分割的所有子序列,针对排序递归!
    

void StraightInsertionSortInnerRecursion(int data[], int n, int currentIndex, int delta) {
if (currentIndex >= n) return;
int tmp = data[currentIndex];
data[StraightInsertionSortInnerRecursionIndex(data, currentIndex, delta)] = tmp; // 根据返回的索引修改该值,表示一趟排序完成
StraightInsertionSortInnerRecursion(data, n, currentIndex + delta, delta);
}

```
  1. 处理增量序列的递归函数

    
    /**
    递归增量序列,希尔排序,注意delta 为素数,
    
    @param data 待排序的序列
    @param n 序列长度
    @param currentIndex 子序列排序起点
    @param delta 本趟排序增量
    */
    void shellSort(int data[], int n, int currentIndex, int delta) {
        if (delta % 2 == 0) {
            printf("Delta error!");
            return;
        }
        if (delta < 1) return;
    
        if (currentIndex + delta > n) {
            shellSort(data, n, 0, delta - 2);
        }else {
            StraightInsertionSortInnerRecursion(data, n, currentIndex + delta, delta);
            if (delta > 1) {
                shellSort(data, n, currentIndex + 1, delta);//开始递归下一个子序列
            }
        }
    }
    
    
  2. 主函数模块

    int main() {
        int data[] = {13, 12, 2, 22, 16, 11, 10, 1, 21, 15};//为了方便,先固定该序列
        int n = 10;
        shellSort(data, n, 0, 5); // 开始希尔排序
        return 0;
    }
    
    

时间复杂度

希尔排序的复杂度分析较为复杂,笔者高数较水,此处不做分析,感兴趣的同学可以参考:传送门源码地址

推荐阅读更多精彩内容