非递归算法——快速排序、归并排序

古城微笑少年丶 2023-10-03 19:34 14阅读 0赞

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哈喽大家好，我是保护小周ღ，本期为大家带来的是常见[排序算法][Link 1]中的**快速排序、归并排序，非递归算法，**分享所有源代码，粘贴即可运行，保姆级讲述**，**包您一看就会，快来试试吧~

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**目录**

一、递归的缺陷

1.1 栈是什么，数据结构“栈”又是什么，他们之间有什么区别？

1.2 C/C++ 程序内存分配的几个区域：

二、快排非递归算法

2.1 算法思想

2.2 程序实现

QuickSort.c

三、归并非递归算法

3.1 算法思想

3.2 程序实现

3.3 拓展知识

四、总结

五、栈（Stack）源代码

Stack.h

Stack.c

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### 一、递归的缺陷 ###

递归的缺陷：如果栈帧深度太深（递归的次数多），栈空间不够用（大概只有几兆）可能会溢出。

一般校招可能考察的就是非递归算法，知道你会递归算法，偏偏考你非递归，您能咋办呐，多学点呗，运筹帷幄，方能立于不败之地。

> **递归改非递归的方法：**
> 
> 1.  直接改循环（简单一点的递归）
> 2.  借助数据结构的“栈”模拟递归过程（复杂一点的递归）

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#### 1.1 栈是什么，数据结构“栈”又是什么，他们之间有什么区别？ ####

![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5L-d5oqk5bCP5ZGo4YOm_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

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> 函数调用建立栈帧，栈帧中存储局部变量，参数等等。
> 
> 栈区，堆区等是操作系统这门学科中对内存的划分，数据结构的“栈”，“堆”是存放、处理数据的一种结构，跟内存的栈区，堆区，没有啥关系，但是有一点，数据结构的“栈”和内存的栈区都是后进先出。

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#### 1.2 C/C++ 程序内存分配的几个区域： ####

> 1.栈区（stack）:在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限，栈区主要存放运行函数而分配的局部变量，函数参数，返回数据，返回地址等。
> 
> 2.堆区（heap）：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时由OS回收。
> 
> 3.数据段（静态区）（static）存放全局变量，静态变量。程序结束后由系统释放。
> 
> 4.代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码

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### 二、快排非递归算法 ###

> 快速排序(Quicksort)是Hoare于1962年提出的一种二叉树结构的交换排序方法，有时候也叫做划分交换排序，是一个高效的算法，其基本思想为：任取待排序 元素序列中的某元素作为基准值，按照该排序码将待排序集合分割成两子序列，左子序列中所有 元素均小于基准值，右子序列中所有元素均大于基准值，然后最左右子序列重复该过程，直到所 有元素都排列在相应位置上为止。这是一个分治算法，而且它就在原地交换数据排序。

如果大家对快速排序的逻辑，递归算法还不熟悉的朋友可以观看博主的另一篇博客，快排递归算法分享了三种方法：挖坑法，左右指针法，前后指针法，以及两种优化方式：解决快排最坏情况的“三数取中”，避免递归次数过多的"小区间优化"。

[常见排序算法之交换排序——冒泡排序、快速排序\_保护小周ღ的博客-CSDN博客][-CSDN]

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#### 2.1 算法思想 ####

借助数据结构的“栈”模拟递归过程，原理其实跟递归差不多，只是不是由操作系统自己建立栈帧，同时堆区上的空间是够的。我们分割的区间其实是由数据结构“栈”帮我们保存起来了，出栈区间，循环执行单趟排，这就是模拟递归的原理。

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用一组数据，简单的让大家了解了一下，**模拟递归**是个咋回事。

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#### 2.2 程序实现 ####

首先咱们要写个栈，不要慌，博主稍后会在后面附上栈的完整代码，没办法，谁叫C语言没有自己的库嘞，C++,Java,库里都有栈。

> 以博主使用的编译器为例：启动　Visual　Studio　2019，创建新项目——＞空项目——＞创建项目名称，选择保存地址，然后我们打开解决方案资源管理器，找到源文件，添加以下三个文件（文件名不定，关于栈的程序博主已经写好了）。
> 
> Stack.h ——关于程序相关函数的声明，符号声明，头文件包含等（栈）
> 
> Stack.c—— 程序相关函数的实现(栈)
> 
> QuickSort.c ——程序的逻辑（非递归快排）

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#### QuickSort.c ####

#include"Stack.h"//引用一手我们自己写的头文件，不要用<>,这个是引用库里的
    
    //挖坑法单趟排
    int QuickSort(int* a, int left, int right)//升序
    {
    	int begin = left;
    	int end = right;
    	int pivot = begin;//记录坑位的下标
    	int key = a[begin];//坑值
    
    	while (begin < end)
    	{
    		//右边找小，放到左边
    		while (begin < end && a[end] >= key)//与坑值比较
    		{
    			--end;
    		}
    		//小的放在左边的坑里，自己形成了新的坑位
    		a[pivot] = a[end];
    		pivot = end;
    
    		//左边找大，放在右边
    		while (begin < end && a[begin] <= key)
    		{
    			++begin;
    		}
    		//大的放在右边的坑里，自己形成了新的坑位
    		a[pivot] = a[begin];
    		pivot = begin;
    	}
    	a[pivot] = key;
    	return pivot;//返回坑位
    }
    
    //借助数据结构栈模拟递归过程
    void QuickSortNonR(int *a,int n)
    {
    	Stack com;//定义Stack结构体类型变量
    	STDataTYpe scope;//这个结构体类型的变量主要存储数据区间[left,right]。
    	
    	//初始化栈
    	StackInit(&com);
    
    	scope.left =0;
    	scope.right= n - 1;
    	//入栈(区间)
    	StackPush(&com,scope);
    
    	while (!StackEmpty(&com))//判断栈是否为空
    	{
    		//记录一下左右区间，不然区间结构的值会因为输出栈顶元素而改变
    		int left = scope.left;
    		int right = scope.right;
    		
    		scope = StackTop(&com);//输出栈顶元素
    		StackPop(&com);//出栈
    
    		//挖坑法单趟排
    		int keyIndex = QuickSort(a, scope.left, scope.right);
    		
    		//分割区间
    		//[left,keyIndex-1], keyIndex ,[keyIndex+1,right]
    		//区间只有一个元素或区间不存在，不执行入栈scope
    		//注意入栈顺序
    		if (keyIndex + 1 < right)//区间只有一个元素或区间不存在，不执行入栈
    		{
    			scope.left = keyIndex + 1;
    			scope.right = right; 
    			
    			StackPush(&com, scope);//入栈
    		}
    
    		if (left < keyIndex-1)//后进先出
    		{
    			scope.left = left;
    			scope.right = keyIndex - 1;
    
    			StackPush(&com, scope);//入栈
    		}
    	}
    	//释放空间
    	StackDesTory(&com);//在堆区上开辟的空间，用完之后需要主动free释放。
    }
    
    //打印
    void Print(int* a, int n)
    {
    	for (int i = 0; i < n; ++i)
    	{
    		printf("%d ", a[i]);
    	}
    }
    int main()
    {
    	int a[] = {49,38,65,97,76,13,27,49};
    	//挖坑法
    	QuickSortNonR(a,sizeof(a) / sizeof(a[0]));
    	Print(a,sizeof(a) / sizeof(a[0]));
    	return 0;
    }

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### 三、归并非递归算法 ###

> 归并排序（MERGE-SORT）是建立在归并操作上的一种有效的排序算法,该算法是采用分治法 （Divide and Conquer）的一个非常典型的应用。将已有序的子序列合并，得到完全有序的序 列；即先使每个子序列有序，再使子序列段间有序。若将两个有序表合并成一个有序表，称为二路归并。

如果大家对归并排序的逻辑，递归的递归算法还不了解的朋友可以观看博主的另一篇博客。

[常见排序算法之归并排序——归并排序\_保护小周ღ的博客-CSDN博客][-CSDN 1]

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#### 3.1 算法思想 ####

> 本次不使用栈模拟递归，而是用循环代替递归，首先通过循环控制gap来划分区间，然后子循环遍历每一个区间，每一个区间，执行归并操作（升序取小），主要难点是控制区间越界问题。
> 
>  **gap：每组数据个数，n为数组长度**
> 
> （1）归并过程中右半区间可能不存在（程序会划分左右区间，右半区间的值>n-1越界），因为元素可能不是2的次方倍。
> 
>  解决方法，break;中止循环，就不会执行归并操作，一个区间是不用归并的。
> 
> （2）归并过程中右半区间的值<gap（最后一个区间<gap），也会造成越界访问。
> 
> 解决方法，重新划分边界值，避免越界，区间右值=n-1（n为数组长度）;然后遍历区间执行归并就不会越界了。

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#### 3.2 程序实现 ####

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
    
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>//动态开辟空间的函数的头文件
    
    //打印
    void Print(int* a, int n)
    {
    	for (int i=0;i<n;++i)
    	{
    		printf("%d ",a[i]);
    	}
    }
    
    //归并非递归排序
    void MergeSortNonR(int *a,int n)
    {
    	int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * n);//动态开辟与待排序数组大小相等的一片连续的空间
    
    	//gap=1是区间[0,0],[1,1],[2,2]……归并
    	//gap=2是区间[0,1],[2,3],[4,5]……归并
    	//gap=4是区间[0,3],[4,7],[8,11]……归并
    	//……
    	int gap = 1;//每组数据个数
    	while (gap < n)
    	{
    		for (int i = 0; i < n; i += 2 * gap)//可以转到下一对区间
    		{
    			//[i,i+gap-1] ,[i+gap,i+2*gap-1]……
    			//归并
    			int begin1 = i, end1 = i+gap-1;
    			int begin2 = i+gap, end2 = i + 2 * gap - 1;
    
    			//归并过程中右半区间可能不存在，因为可能不是2的整数倍
    			if (begin2 >n-1)
    				break;//中止程序
    
    			//归并过程中右半区间的值<gap，也会造成越界访问
    			if (end2 >n-1)
    				end2 = n - 1;//重新划分边界值，避免越界
    
    			int index = i;
    
    			while (begin1 <= end1 && begin2 <= end2)//有一个子序列遍历完，循环结束
    			{
    				if (a[begin1] < a[begin2])//升序，取小
    				{
    					tmp[index++] = a[begin1++];
    
    				}
    				else
    				{
    					tmp[index++] = a[begin2++];
    				}
    			}
    
    			//判断子序列是否遍历完，未遍历完毕的子序列剩余元素直接给到tmp数组
    			while (begin1 <= end1)
    			{
    				tmp[index++] = a[begin1++];
    			}
    
    			while (begin2 <= end2)
    			{
    				tmp[index++] = a[begin2++];
    			}
    			//拷贝回去
    			for (int j = i; j <= end2; ++j)
    			{
    				a[j] = tmp[j];
    			}
    		}
    		gap *= 2;
    	}
    	free(tmp);//释放动态开辟的空间
    }
    int main()
    {
    	int a[] = {10,6,7,1,3,9,4,2};
    	MergeSortNonR(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
    	//MergeSort(a,sizeof(a)/sizeof(a[0]));
    	Print(a,sizeof(a)/sizeof(a[0]));
    	return 0;
    }

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#### 3.3 拓展知识 ####

归并排序也叫外排序，可以对文件中数据进行排，假设10G的数据放到硬盘的文件中，要排序，如何排，如果操作系统将这组数据调入内存中，可能内存不够。其他的排序自然而然就用不了，假设有1G的内存可用。10G的文件切分为10个1G的文件，并且让10个1G的文件有序。每次读一个1G的文件到内存，放到一个数组，用快排对其排序，再将有序数据写回文件，再继续读下一个文件。得到10个有序的1G文件，即可用递归排序，两两一组，合成一个新的有序文件。

关于文件的读写操作，感兴趣的同学可以订阅博主的专栏C语言，里面有文件的基本操作（上）（下），同时C技能树，文件的基本操作也收录了这两篇博客。

[C语言\_保护小周ღ的博客-CSDN博客][C_-CSDN]

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### 四、总结 ###

> 非递归算法与递归算法相比起来性能上来将其实并没有很大的提升，递归对于现在的CPU性能来讲也是没有问题的，主要是怕极端情况下，就数据量特别多的时候，需要建立很深的栈帧，栈空间不够，如果使用数据结构的“栈”模拟递归，就不会出现这种情况（数据结构栈是在内存的堆区上建立的，而堆是用G做单位）。

至此**快速排序、归并排序**的非递归算法博主已经分享完了，相信大家对这个逻辑有了一定的理解，大家可以自己动手敲敲代码，感受一下。

![40e36dfc27804c04afb4a9da45afda94.jpeg][]

本期收录于博主的专栏——排序算法，适用于编程初学者，感兴趣的朋友们可以订阅，查看其它“常见排序”。[排序算法\_保护小周ღ的博客-CSDN博客][-CSDN 2]

感谢每一个观看本篇文章的朋友，更多精彩敬请期待：保护小周ღ **\*★,°\*:.☆(￣▽￣)/$:\*.°★\***

文章多处存在借鉴，如有侵权请联系修改删除！![dd8b4788b2554df4bec4b8202395cad2.gif][]

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### 五、栈（Stack）源代码 ###

#### Stack.h ####

#pragma once
    
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<assert.h>
    #include<stdbool.h>
    
    //数据类型
    typedef struct STDataTYpe//区间
    {
    	int left;
    	int right;
    }STDataTYpe;//方便以后更改类型
    
    
    //栈的定义
    typedef struct Stack
    {
    	STDataTYpe* data;
    	int top;//栈顶，记录有多少数据
    	int capacity;//记录动态数组的最大空间，增容
    }Stack;
    
    
    //初始化
    void StackInit(Stack*ps);
    
    //入栈
    void StackPush(Stack*ps,STDataTYpe x);
    
    //出栈
    void StackPop(Stack*ps);
    
    //输出栈顶
    STDataTYpe StackTop(Stack*ps);
    
    //输出栈数据个数
    int  StackSize(Stack *ps);
    
    //判断栈是否为空
    bool StackEmpty(Stack* ps);
    
    //释放空间
    void StackDesTory(Stack* ps);

--------------------

#### Stack.c ####

#include"Stack.h"
    
    //初始化
    void StackInit(Stack* ps)
    {
    	ps->data = (STDataTYpe*)malloc(sizeof(STDataTYpe)*4);
    	if (ps->data== NULL)//判断是否申请成功
    	{
    		perror("malloc");
    		exit(-1);
    	}
    	ps->capacity = 4;
    	ps->top = 0;
    	//区间初始化
    	ps->data->left = 0;
    	ps->data->right = 0;
    }
    
    //入栈
    void StackPush(Stack* ps, STDataTYpe scope)
    {
    	assert(ps);
    	//满了扩容
    	if (ps->top==ps->capacity)
    	{
    		STDataTYpe* tmp = (STDataTYpe*)realloc(ps->data, ps->capacity * 2*sizeof(STDataTYpe));
    		if (tmp == NULL)
    		{
    			perror("realloc");
    			exit(-1);
    		}
    		else
    		{
    			ps->data = tmp;
    			ps->capacity *= 2;
    		}
    	}
    	//区间入栈
    	ps->data[ps->top].right = scope.right;
    	ps->data[ps->top].left = scope.left;
    
    	ps->top++;
    }
    
    //出栈
    void StackPop(Stack* ps)
    {
    	assert(ps);
    	//栈空，调用Pop,直接中止元素
    	assert(ps->top>=0);
    	ps->top--;
    }
    
    //输出栈顶
    STDataTYpe StackTop(Stack* ps)
    {
    	assert(ps);
    	//栈空，调用Top,直接中止元素
    	assert(ps->top >= 0);
    	return ps->data[ps->top-1];
    }
    
    //输出栈数据个数
    int StackSize(Stack *ps)
    {
    	assert(ps);
    	return ps->top;
    }
    
    //判断栈是否为空
    bool StackEmpty(Stack* ps)
    {
    	assert(ps);
    
    	return ps->top == 0;
    }
    
    //释放空间
    void StackDesTory(Stack* ps)
    {
    	assert(ps);
    	free(ps->data);
    	ps->data = NULL;
    	ps->top = ps->capacity = 0;
    }

[30adcf5df8b44dc8bc660f667cada2c4.jpeg]: https://img-blog.csdnimg.cn/30adcf5df8b44dc8bc660f667cada2c4.jpeg
[Link 1]: https://so.csdn.net/so/search?q=%E6%8E%92%E5%BA%8F%E7%AE%97%E6%B3%95&spm=1001.2101.3001.7020
[f89deef4fd5b408f8b4b1c0a50c0a9e9.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/f89deef4fd5b408f8b4b1c0a50c0a9e9.png
[watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5L-d5oqk5bCP5ZGo4YOm_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: https://img-blog.csdnimg.cn/d89f2b6ca53140b28c12bef45a9bd726.png?x-oss-process=image/watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBA5L-d5oqk5bCP5ZGo4YOm,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16
[17f507a508a247bebaa60f2d4739489f.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/17f507a508a247bebaa60f2d4739489f.png
[-CSDN]: https://blog.csdn.net/weixin_67603503/article/details/125487641?spm=1001.2014.3001.5502
[0ebafcbc2b0c426c826a0e83f9c0a70d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/0ebafcbc2b0c426c826a0e83f9c0a70d.png
[f367cb0ecae34c969a6aad1d6efb2290.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/f367cb0ecae34c969a6aad1d6efb2290.png
[6bb5f436e68c4d5ba897826e216b2c0d.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/6bb5f436e68c4d5ba897826e216b2c0d.png
[-CSDN 1]: https://blog.csdn.net/weixin_67603503/article/details/125718908?spm=1001.2014.3001.5502
[5d92f527c2ca4dd9b1d359c3ddbf1540.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/5d92f527c2ca4dd9b1d359c3ddbf1540.png
[988242c42c3f4aed8a5c2bac8811f725.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/988242c42c3f4aed8a5c2bac8811f725.png
[C_-CSDN]: https://blog.csdn.net/weixin_67603503/category_11757814.html?spm=1001.2014.3001.5482
[40e36dfc27804c04afb4a9da45afda94.jpeg]: https://img-blog.csdnimg.cn/40e36dfc27804c04afb4a9da45afda94.jpeg
[-CSDN 2]: https://blog.csdn.net/weixin_67603503/category_11904303.html?spm=1001.2014.3001.5482
[dd8b4788b2554df4bec4b8202395cad2.gif]: https://img-blog.csdnimg.cn/dd8b4788b2554df4bec4b8202395cad2.gif