Алгоритмы сортировки: методы внутренней и внешней сортировки, анализ сложности и эффективности алгоритмов сортировки.

Пусть есть последовательность a0, a1... an и функция сравнения, которая на любых двух элементах последовательности принимает одно из трех значений: меньше, больше или равно. Задача сортировки состоит в перестановке членов последовательности таким образом, чтобы выполнялось условие: ai <= ai+1, для всех i от 0 до n.

Возможна ситуация, когда элементы состоят из нескольких полей:

Если значение функции сравнения зависит только от поля x, то x называют ключом, по которому производится сортировка. На практике, в качестве x часто выступает число, а поле y хранит какие-либо данные, никак не влияющие на работу алгоритма.

Для того, чтобы обоснованно сделать выбор, рассмотрим параметры, по которым будет производиться оценка алгоритмов.

Время сортировки - основной параметр, характеризующий быстродействие алгоритма.

Память - ряд алгоритмов требует выделения дополнительной памяти под временное хранение данных. При оценке используемой памяти не будет учитываться место, которое занимает исходный массив и независящие от входной последовательности затраты, например, на хранение кода программы.

Устойчивость - устойчивая сортировка не меняет взаимного расположения равных элементов. Такое свойство может быть очень полезным, если они состоят из нескольких полей, а сортировка происходит по одному из них, например, по x.

Естественность поведения - эффективность метода при обработке уже отсортированных, или частично отсортированных данных. Алгоритм ведет себя естественно, если учитывает эту характеристику входной последовательности и работает лучше.

Еще одним важным свойством алгоритма является его сфера применения. Здесь основных позиций две:

внутренние сортировки работают с данным в оперативной памяти с произвольным доступом;

внешние сортировки упорядочивают информацию, расположенную на внешних носителях. Это накладывает некоторые дополнительные ограничения на алгоритм:

доступ к носителю осуществляется последовательным образом: в каждый момент времени можно считать или записать только элемент, следующий за текущим

объем данных не позволяет им разместиться в ОЗУ

Кроме того, доступ к данным на носителе производится намного медленнее, чем операции с оперативной памятью.

Данный класс алгоритмов делится на два основных подкласса:

Внутренняя сортировка оперирует с массивами, целиком помещающимися в оперативной памяти с произвольным доступом к любой ячейке. Данные обычно сортируются на том же месте, без дополнительных затрат.

Внешняя сортировка оперирует с запоминающими устройствами большого объема, но с доступом не произвольным, а последовательным (сортировка файлов), т.е в данный момент мы 'видим' только один элемент, а затраты на перемотку по сравнению с памятью неоправданно велики . Это приводит к специальным методам сортировки, обычно использующим дополнительное дисковое пространство.

Сортировка выбором Идея метода состоит в том, чтобы создавать отсортированную последовательность путем присоединения к ней одного элемента за другим в правильном порядке.

Будем строить готовую последовательность, начиная с левого конца массива. Алгоритм состоит из n последовательных шагов, начиная от нулевого и заканчивая (n-1)-м. Для нахождения наименьшего элемента из n+1 рассматримаемых алгоритм совершает n сравнений. С учетом того, что количество рассматриваемых на очередном шаге элементов уменьшается на единицу. Алгоритм не использует дополнительной памяти: все операции происходят "на месте".

Сортировка пузырьком Идея метода: шаг сортировки состоит в проходе снизу вверх по массиву. По пути просматриваются пары соседних элементов. Если элементы некоторой пары находятся в неправильном порядке, то меняем их местами. После нулевого прохода по массиву "вверху" оказывается самый "легкий" элемент - отсюда аналогия с пузырьком. Следующий проход делается до второго сверху элемента, таким образом второй по величине элемент поднимается на правильную позицию...

Сортировка вставками Будем разбирать алгоритм, рассматривая его действия на i-м шаге. Как говорилось выше, последовательность к этому моменту разделена на две части: готовую a[0]...a[i] и неупорядоченную a[i+1]...a[n].

На следующем, (i+1)-м каждом шаге алгоритма берем a[i+1] и вставляем на нужное место в готовую часть массива.

Поиск подходящего места для очередного элемента входной последовательности осуществляется путем последовательных сравнений с элементом, стоящим перед ним.

В зависимости от результата сравнения элемент либо остается на текущем месте(вставка завершена), либо они меняются местами и процесс повторяется.

Сортировка Шелла Рассмотрим следующий алгоритм сортировки массива a[0].. a[15]. Вначале сортируем простыми вставками каждые 8 групп из 2-х элементов (a[0], a[8[), (a[1], a[9]), ... , (a[7], a[15]). Потом сортируем каждую из четырех групп по 4 элемента (a[0], a[4], a[8], a[12]), ..., (a[3], a[7], a[11], a[15]). В нулевой группе будут элементы 4, 12, 13, 18, в первой - 3, 5, 8, 9 и т.п. Далее сортируем 2 группы по 8 элементов, начиная с (a[0], a[2], a[4], a[6], a[8], a[10], a[12], a[14]).

Быстрая сортировка Метод основан на подходе "разделяй-и-властвуй". Общая схема такова:

1. из массива выбирается некоторый опорный элемент a[i],

2. запускается процедура разделения массива, которая перемещает все ключи, меньшие, либо равные a[i], влево от него, а все ключи, большие, либо равные a[i] - вправо,

3. теперь массив состоит из двух подмножеств, причем левое меньше, либо равно правого

4. для обоих подмассивов: если в подмассиве более двух элементов, рекурсивно запускаем для него ту же процедуру.

В конце получится полностью отсортированная последовательность.

Поразрядная сортировка Во-первых, он совсем не использует сравнений сортируемых элементов.

Во-вторых, ключ, по которому происходит сортировка, необходимо разделить на части, разряды ключа. Например, слово можно разделить по буквам, число - по цифрам...

До сортировки необходимо знать два параметра: k и m, где

* k - количество разрядов в самом длинном ключе

* m - разрядность данных: количество возможных значений разряда ключа

При сортировке русских слов m = 33, так как буква может принимать не более 33 значений. Если в самом длинном слове 10 букв, k = 10.

Аналогично, для для шестнадцатиричных чисел m=16, если в качестве разряда брать цифру, и m=256, если использовать побайтовое деление.

Эти параметры нельзя изменять в процессе работы алгоритма. В этом - еще одно отличие метода от вышеописанных.