排序算法之希尔排序及其增量序列

liang1234_ 2020-10-27

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希尔排序

其他排序方法：选择排序、冒泡排序、归并排序、快速排序、插入排序、希尔排序、堆排序

思想

希尔排序大概就是，选一组递减的整数作为增量序列。最小的增量必须为1： $D_{M} > D_{M - 1} > . . . > D_{1} = 1$

先用第一个增量把数组分为若干个子数组，每个子数组中的元素下标距离等于增量；
然后对每个子数组进行简单插入排序
再使用第二个增量，继续同样的操作，直到增量序列里的增量都使用过一次。
（增量为1时，其实就是对整个数组进行简单插入排序）

图解

看图更容易理解吧：
（借用一下慕课的浙大数据结构课件。因为课件原本是ppt，而我只有pdf，所以颜色没有上齐，请将就将就emmm）

性能

希尔排序快不快主要取决于我们怎么取增量序列，原始希尔排序的取法就是： $D_{M} = ⌊ N / 2 ⌋, D_{k} = ⌊ D_{k + 1} / 2 ⌋$
此增量序列也成为Shell增量序列
原始希尔排序最坏的时间复杂度为 $O (n^{2})$

代码

# 原始希尔排序
# 增量序列为D(M)=N/2, D(k)=D(k+1)/2 向下取整
def shellSort(arr):
    size = len(arr)
    # 正整数右移一位相当于除以2且向下取整
    step = size >> 1
    while step > 0:
        for i in range(step, size):
            j = i
            tmp = arr[j]
            while j >= step:
                if tmp < arr[j - step]:
                    arr[j] = arr[j - step]
                    j -= step
                else:
                    break
            arr[j] = tmp
        step = step >> 1

优化

希尔排序的优化主要是针对增量序列的优化。
增量序列如果取得不好，效率比直接插入排序还要低，下面举个例子（直接借用课件了）：

在这个例子里，前几个增量没有起到任何作用（只起到了拖延时间的作用哈哈）。
所以有人就发现了，如果增量之间不互质的话，那有些情况就不管用了。

于是有些大佬们就整出了下面这些增量序列：Hibbard增量序列、Knuth增量序列、Sedgewick增量序列等等
下面主要介绍Hibbard增量序列和Sedgewick增量序列

Hibbard增量序列

Hibbard增量序列的取法为 $D_{k} = 2^{k} - 1$ ：{1, 3, 7, 15, 31, 63, 127, 255, 511, 1023, 2047, 4095, 8191...}
最坏时间复杂度为 $O (N^{3 / 2})$ ；平均时间复杂度约为 $O (N^{5 / 4})$

先来个Hibbard增量序列的获取代码：

# Hibbard增量序列
# D(i)=2^i−1,i>0
def getHibbardStepArr(n):
    i = 1
    arr = []
    while True:
        tmp = (1 << i) - 1
        if tmp <= n:
            arr.append(tmp)
        else:
            break
        i += 1
    return arr

排序代码稍微修改一下就行：

# 希尔排序（Hibbard增量序列）
def shellSort(arr):
    size = len(arr)
    # 获取Hibbard增量序列
    stepArr = getHibbardStepArr(size)
    # 因为要倒着使用序列里的增量，所以这里用了reversed
    for step in reversed(stepArr):
        for i in range(step, size):
            j = i
            tmp = arr[j]
            while j >= step:
                if tmp < arr[j - step]:
                    arr[j] = arr[j - step]
                    j -= step
                else:
                    break
            arr[j] = tmp

至于为什么要用python内置函数reversed()，而不用其它方法，是因为reversed()返回的是迭代器，占用内存少，效率比较高。
如果先使用stepArr.reverse()，再用range(len(arr))的话，效率会比较低；
而且实测reversed也比range(len(arr) - 1, -1, -1)效率高，故使用reversed();
还有就是先stepArr.sort(reverse=True)，再用range(len(arr))，同样效率低。
这几种方法比较的测试代码在这里，有兴趣的朋友可以看看：Python列表倒序输出及其效率

Sedgewick增量序列

Sedgewick增量序列的取法为 $D = 9 * 4^{i} - 9 * 2^{i} + 1$ 或 $4^{i} - 3 * 2^{i} + 1$ ：{1, 5, 19, 41, 109, 209, 505, 929, 2161...}
最坏时间复杂度为 $O (N^{4 / 3})$ ；平均时间复杂度约为 $O (N^{7 / 6})$

Sedgewick增量序列的获取代码：

# Sedgewick增量序列
# D=9*4^i-9*2^i+1 或 4^(i+2)-3*2^(i+2)+1 , i>=0
# 稍微变一下形：D=9*(2^(2i)-2^i)+1 或 2^(2i+4)-3*2^(i+2)+1 , i>=0
def getSedgewickStepArr(n):
    i = 0
    arr = []
    while True:
        tmp = 9 * ((1 << 2 * i) - (1 << i)) + 1
        if tmp <= n:
            arr.append(tmp)
        tmp = (1 << 2 * i + 4) - 3 * (1 << i + 2) + 1
        if tmp <= n:
            arr.append(tmp)
        else:
            break
        i += 1
    return arr

排序代码稍微修改一下就行：

# 希尔排序（Sedgewick增量序列）
def shellSort(arr):
    size = len(arr)
    # 获取Sedgewick增量序列
    stepArr = getSedgewickStepArr(size)
    for step in reversed(stepArr):
        for i in range(step, size):
            j = i
            tmp = arr[j]
            while j >= step:
                if tmp < arr[j - step]:
                    arr[j] = arr[j - step]
                    j -= step
                else:
                    break
            arr[j] = tmp

其他排序方法：选择排序、冒泡排序、归并排序、快速排序、插入排序、希尔排序、堆排序