Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Последнее утверждение требует более подробного обсуждения. За счет выбора среднего элемента списка в качестве базового мы не только избегаем худшего случая, но и гарантируем, что два внутренних цикла будут заканчиваться при допустимых значениях индексов. Базовый элемент представляет собой сигнальное значение для обоих внутренних циклов. Даже в худшем случае каждый цикл будет завершаться после достижения базового элемента. Если бы в качестве базового был бы выбран, например, первый или последний элемент, пришлось бы изменить один из циклов для проверки того, что индекс не выходит за допустимые пределы (для другого цикла границей служил бы базовый элемент).

Есть надежда, что приведенное выше описание некоторых часто встречаемых ошибок при реализации алгоритма быстрой сортировки позволит лучше понять сам алгоритм, даже несмотря на то, что его реализация содержит всего несколько строк кода. Экспериментируйте, просмотрите реализацию быстрой сортировки в методе TList.Sort в исполнении компании Borland, но будьте осторожны и протестируйте результаты своих экспериментов на различных типах списков.

Теперь, когда вы предупреждены о возможных последствиях внесения изменений в реализацию алгоритма быстрой сортировки, давайте аккуратно модернизируем приведенную реализацию.

Прежде всего, давайте изучим влияние выбора базового элемента на быстродействие алгоритма. Если вы помните, в нашей первой процедуре быстрой сортировки в качестве базового элемента выбирался средний элемент. До этого мы коротко рассмотрели и отклонили выбор первого и последнего элемента списка. В идеальном случае следовало бы каждый раз выбирать средний элемент отсортированного списка или, в крайнем случае, избегать выбора в( качестве базового элемента с минимальным и максимальным значением (поскольку в этом случае быстрая сортировка вырождается в длинную серию пустых подсписков и подсписков с одним или меньшим количеством элементов). Часто в качестве базового элемента выбирается случайный элемент. Затем этот элемент меняется местом со средним элементом, и алгоритм выполняется, как и в случае выбора среднего элемента.

Что дает нам случайный выбор базового элемента? При условии, что у нас есть достаточно хороший генератор псевдослучайных чисел, такой выбор гарантирует, что вероятность попадания на "худший" элемент становится пренебрежительно малой. Но, тем не менее, она не превращается в 0, просто выбор наихудшего для быстрой сортировки элемента в качестве базового становится весьма маловероятным.

Листинг 5.15. Быстрая сортировка со случайным выбором базового элемента

procedure QSR(aList : TList;

aFirst : integer;

aLast : integer;

aCompare : TtdCompareFunc);

var

L, R : integer;

Pivot : pointer;

Temp : pointer;

begin

while (aFirst < aLast) do

begin

{выбрать случайный элемент, переставить его со средним элементом и взять в качестве базового элемента}

R := aFirst + Random(aLast - aFirst + 1);

L := (aFirst + aLast) div 2;

Pivot := aList.List^[R];

aList.List^[R] := aList.List^[L];

aList.List^[L] := Pivot;

{задать начальные значения индексов и приступить к разбиению списка}

L := pred( aFirst);

R := succ(aLast);

while true do

begin

repeat

dec(R);

until (aCompare(aList.List^[R], Pivot) <=0);

repeat

inc(1);

until (aCompare(aList.List^[L], Pivot) >=0);

if (L >= R) then

Brealc-Temp := aList.List^[L];

aList.List^[L] := aList.List^[R];

aList.List^[R] := Temp;

end;

{выполнить быструю сортировку первого подфайла}

if (aFirst < R) then

QSR(aList, aFirst, R, aCompare);

{выполнить быструю сортировку второго подфайла - устранение рекурсии}

aFirst :=succ(R);

end;

end;

procedure TDQuickSortRandom(aList : TList;

aFirst : integer;

aLast : integer;

aCompare : TtdCompareFunc);

begin

TDValidateListRange(aList, aFirst, aLast, 'TDQuickSortRandom');

QSR(aList, aFirst, aLast, aCompare);

end;

Как видите, различия между стандартным алгоритмом быстрой сортировки и приведенным в листинге 5.15 совсем незначительны. Основное отличие представляет собой вставленный блок кода, который специально выделен в листинге. В нем первый индекс выбирается случайным образом из диапазона от aFirst до aLast включительно, а затем элемент с выбранным индексом меняется местами со средним элементом. Для удобства в приведенной реализации используется Delphi-функция Random. Она предоставляет хорошие последовательности псевдослучайных чисел. Перестановка выбранного и среднего элементов дает преимущества, о которых мы уже говорили.

Несмотря на то что внесенное изменение снижает вероятность выбора "худшего" элемента при каждом проходе цикла, тем не менее, оно не увеличивает скорость выполнения процедуры. Фактически скорость даже падает (как это и можно было предположить). Генерация случайного числа в качестве индекса для базового элемента работает отлично, в том смысле, что вероятность выбора "плохого" элемента в качестве базового снижается, но это положительное свойство не приводит к повышению быстродействия процедуры. Сложность линейного конгруэнтного метода генерации случайных чисел, используемого функцией Random, только увеличивает время выполнения процедуры. Можно было бы исследовать быстродействие при использовании различных генераторов (некоторые из них будут рассмотрены в главе 6), но оказывается, что существует намного более удачный алгоритм выбора базового элемента.

Самым эффективным методом выбора базового элемента на сегодняшний день является метод медианы трех. Мы уже говорили, что в идеальном случае желательно было бы выбирать средний элемент (или медиану) всех элементов списка. Тем не менее, определение медианы - достаточно сложная задача. Более простым кажется приближенное определение медианы. Для этого из подсписка выбирается три элемента и в качестве базового элемента выбирается медиана этих трех элементов. Медиана трех элементов служит приближением фактической медианы всех элементов списка. Конечно, такой алгоритм предполагает, что в списке должно быть, по крайней мере, три элемента. Но даже если элементов меньше, выполнить их сортировку не представляет большого труда.

Выбор трех элементов ничем не ограничивается, но имеет смысл выбирать первый, последний и средний элементы. Почему? Такая схема может облегчить весь процесс сортировки. Мы находим не только медиану трех элементов, но и расставляем их в требуемом порядке. Элемент с наименьшим значением попадает в первую позицию, средний элемент - в середину списка, а элемент с наименьшим значением - в последнюю позицию. Таким образом, при выборе базового элемента размер частей списка сокращается на два элемента, поскольку уже известно, что они находятся в правильных частях списка относительно базового элемента. Кроме того, такой алгоритм автоматически помещает базовый элемент в нужное место: в середину подсписка.

Листинг 5.16. Быстрая сортировка со случайным выбором базового элемента

procedure QSM(aList : TList;

aFirst : integer;

aLast : integer;

aCompare : TtdCompareFunc);

var

L, R : integer;

Pivot : pointer;

Temp : pointer;

begin

while (aFirst < aLast) do

begin

{если в списке есть, по крайней мере, три элемента, выбрать базовый элемент, как медиану первого, последнего и среднего элементов списка и записать его в позицию в середине списка}

if (aLast - aFirst) >= 2 then

begin

R := (aFirst + aLast) div 2;

if (aCompare(aList.List^[aFirst], aList.List^[R]) > 0) then

begin

Temp := aList.List^[aFirst];

aList.List^[aFirst] aList.List^[R];

aList.List^[R] :=Temp;

if (aCompare(aList.List^[aFirst], aList.List^[aLast]) > 0) then

begin

Temp := aList.List^[aFirst];

aList.List^[aFirst] := aList.List^[aLast];

aList.List^[aLast] := Temp;

if (aCompare(aList,List^[R], aList.List^[aLast]) > 0) then

begin

Temp := aList.List^[R];

aList.List^[R] := aList.List^[aLast];

aList.List^[aLast] := Temp;

Pivot :-aList,List^[R];

{в противном случае в списке всего 2 элемента, выбрать в качестве базового первый элемент}

Pivot := aList.List^[ aFirst ];

{задать начальные значения индексов и приступить к разбиению списка}

L := pred( aFirst);

R := succ(aLast);

while true do

begin

repeat

dec (R);

until (aCompare (aList.List^[R], Pivot) <= 0);

repeat

inc(L);

until (aCompare(aList.List^[L], Pivot) >=0);

if (L >=R) then

Break;

Temp := aList.List^[L];

aList.List^[L] := aList.List^[R];

aList.List^[R] := Teilend;

{выполнить быструю сортировку первого подфайла}

if (aFirst < R) then

QSM(aList, aFirst, R, aCompare);

{выполнить быструю сортировку второго подфайла - устранение рекурсии}

aFirst := succ(R);

end;

end;

procedure TDQuickSortMedian( aList : TList;

aFirst : integer;

aLast : integer;

aCompare : TtdCompareFunc);

begin

TDValidateListRange(aList, aFirst, aLast, 'TDQuickSortMedian');

QSM(aList, aFirst, aLast, aCompare);

end;

В этот раз размер дополнительного блока кода (также специальным образом выделенного) намного больше, чем в предыдущем случае. Большая его часть представляет собой код выбора и сортировки элементов для алгоритма медианы трех. Конечно, новый добавленный код выполняется только тогда, когда в списке имеется не менее трех элементов.

Сортировка трех выбранных элементов выполняется на основе одного малоизвестного и малоиспользуемого метода. Предположим, что выбраны элементы a, b и c. Сравниваем а и b. Если b меньше чем я, поменять их местами. Таким образом, получим a < b. Сравниваем a и c. Если c меньше чем a, поменять их местами. Получим a < c. После выполнения этих сравнений нам будет известно, что элемент a содержит минимальное значение из трех выбранных элементов, поскольку оно меньше или равно значениям элементов b и c. Сравниваем b и с. Если с меньше чем b, поменять их местами. Теперь элементы расположены в порядке a< b<c, т.е. они отсортированы. Если количество элементов в списке не больше двух, в качестве базового элемента выбирается первый.