9 Java 堆排序
堆是具有以下性质的完全二叉树，每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值，称为大顶堆；或者每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值，称为小顶堆。如下图：
同时，我们对堆中的结点按层进行编号，将这种逻辑结构映射到数组中就是下面这个样子：
该数组从逻辑上讲就是一个堆结构，我们用简单的公式来描述一下堆的定义就是：
大顶堆：arr[i] >= arr[2i+1] && arr[i] >= arr[2i+2]
小顶堆：arr[i] <= arr[2i+1] && arr[i] <= arr[2i+2]
ok，了解了这些定义。接下来，我们来看看堆排序的基本思想及基本步骤：
1、基本思想
将待排序序列构造成一个大顶堆，此时整个序列的最大值就是堆顶的根节点，将其与末尾元素进行交换，此时末尾为最大值。然后将剩余n-1个元素重新构造成一个堆，堆顶继续为n-1个元素的最大值，然后再将其与倒数第二位的元素交换。如此反复执行，便能得到一个有序序列。
2、算法描述
(1) 构造初始堆，将给定无序序列构造成一个大顶堆（一般升序采用大顶堆，降序采用小顶堆)。
假设给定无序序列结构如下：
4 6 8 5 9
此时我们从最后一个非叶子结点开始，顺序从下至上（叶结点自然不用调整，第一个非叶子结点 arr.length/2-1=5/2-1=1，索引1对应的值是6），从左至右，从下至上进行调整。
找到第二个非叶节点4，由于[4,9,8]中9元素最大，4和9交换。
9与4交换之后，该子树[4, 5, 6]为非大顶堆，需要调整为大顶堆，[4, 5 ,6]中6最大，交换4和6。
此时，我们就将一个无需序列构造成了一个大顶堆。每个非叶子节点i 都满足：arr[i] >= arr[2i+1] && arr[i] >= arr[2i+2]
(2) 将堆顶元素与末尾元素进行交换，使末尾元素最大。然后继续调整堆，再将堆顶元素与倒数第二元素交换，得到第二大元素。如此反复进行交换、重建、交换。
重新调整剩余n-1个元素的结构，使其继续满足大顶堆排序
再将堆顶元素8与倒数第二元素5进行交换，得到第二大元素8
继续进行调整、交换，如此反复进行，最终使得整个序列有序
再简单总结堆排序的基本思路：
(1) 将无需序列构建成一个堆，根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆；
(2) 将堆顶元素与末尾元素交换，将最大元素"沉"到数组末端；
(3) 重新调整结构，使其满足堆定义，然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素，反复执行调整+交换步骤，直到整个序列有序。
3、代码实现
public class HeapSort { public static void main(String[] args) {
Long startTime = System.currentTimeMillis();
//int[] array = new int[]{10, 1, 9, 2, 8, 3, 7, 4, 6, 5};
int[] array = new int[100000];
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
array[i] = (int) (Math.random() * 100000);
}
heapSort(array);
Long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println((endTime - startTime) + " " + array.length);
}
/**
* 堆排序
*
* @param array
*/
public static void heapSort(int[] array) {
// 构建大顶堆
int len = array.length;
for (int i = len / 2 - 1; i >= 0; i--) {
adjustHeap(array, i, len);
}
for (int j = len - 1; j > 0; j--) {
// 将顶上元素与最后元素交换，即最大的元素存放最后
swap(array, 0, j);
// 对剩下的j 个元素继续构建大顶堆
adjustHeap(array, 0, j);
//System.out.println(Arrays.toString(array));
}
}
/**
* 调整大顶堆（仅是调整过程，建立在大顶堆已构建的基础上）
*
* @param array
* @param i
* @param length
*/
public static void adjustHeap(int[] array, int i, int length) {
int temp = array[i];
for (int k = 2 * i + 1; k < length; k = 2 * k + 1) {
if (k + 1 < length && array[k] < array[k + 1]) {
k++;
}
if (array[k] > temp) {
array[i] = array[k];
i = k;
} else {
break;
}
}
array[i] = temp;
}
/**
* 交换元素
*
* @param arr
* @param a
* @param b
*/
public static void swap(int[] arr, int a, int b) {
int temp = arr[a];
arr[a] = arr[b];
arr[b] = temp;
}
}
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