Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

aPriorNode : PslNode;

aCount : longint): PslNode;

var

Count2 : longint;

PriorNode2 : PslNode;

begin

{сначала обрабатывается простой случай: если в списке всего один элемент, он отсортирован, поэтому выполнение функции завершается}

if (aCount = 1) then begin

Result := aPriorNode^.slnNext;

Exit;

end;

{разбить список на две части}

Count2 := aCount div 2;

aCount := aCount - Count2;

{выполнить сортировку слиянием первой половины: вернуть начальный узел для второй половины}

PriorNode2 := sllMergeSort(aCompare, aPriorNode, aCount);

{выполнить сортировку слиянием второй половины}

sllMergeSort(aCompare, PriorNode2, Count2);

{объединить две половины}

Result := sllMerge(aCompare, aPriorNode, aCount, PriorNode2, Count2);

end;

Метод сортировки слиянием вызывается с указанием начального узла сортируемого списка и количества узлов в списке. Имея такие входные данные, за счет прохождения списка и подсчета узлов можно определить, где начинается вторая половина списка. В качестве возвращаемого параметра после сортировки первой половины списка используется последний узел первой половины, который служит фиктивным начальным узлом для второй половины. В любом случае нам приходится проходить список. Тогда почему бы нам заодно не определить положение средней точки?

И последняя часть реализации сортировки - сама функция слияния. Ее код приведен в листинге 5.21. Она не представляет никаких трудностей для понимания. Начальным узлом объединенного списка будет служить родительский узел первого подсписка. Функция возвращает последний элемент объединенного списка (он будет использоваться в качестве родительского узла для несортированной части подсписка).

Листинг 5.21. Фаза слияния при сортировке слиянием односвязного списка

function TtdSingleLinkList.sllMerge( aCompare : TtdCompareFunc;

aPriorNode1 : PslNode; aCount1 : longint;

aPriorNode2 : PslNode; aCount2 : longint): PslNode;

var

i : integer;

Node1 : PslNode;

Node2 : PslNode;

LastNode : PslNode;

Temp : PslNode;

begin

LastNode := aPriorNode1;

{извлечь первые два узла}

Node1 := aPriorNode1^.slnNext;

Node2 := aPriorNode2^.slnNext;

{повторять цикл до исчерпания элементов одного из списков}

while (aCount1 <> 0) and (aCount2<> 0) do

begin

if (aCompare(Node1^.slnData, Node2^.slnData) <= 0) then begin

LastNode := Node1;

Node1 := Node1^.slnNext;

dec(aCount1);

end

else begin

Temp := Node2^.slnNext;

Node2^.slnNext := Node1;

LastNode^.slnNext := Node2;

LastNode := Node2;

Node2 := Temp;

dec(aCount2);

end;

end;

{если закончились элементы в первом списке, связать последний узел с оставшейся частью второго списка и пройти список до последнего узла}

if (aCount1 = 0) then begin

LastNode^.slnNext := Node2;

for i := 0 to pred(aCount2) do LastNode := LastNode^.slnNext;

end

{если закончились элементы во втором списке, то Node2 будет первым узлом в оставшемся списке; пройти список до последнего узла и связать его с узлом Node2}

else begin

for i := 0 to pred(aCount1) do

LastNode := LastNode^.slnNext;

LastNode^.slnNext := Node2;

end;

{вернуть последний узел}

Result := LastNode;

end;

Обратите внимание, что в односвязном списке сортировка слиянием не требует выполнения обратного прохода. Мы не были в ситуации, когда требовалось знание родительского узла определенного узла, а он не был известен. Это означает, что сортировка слиянием в двухсвязном списке может выполняться точно так же, как и в односвязном, но после сортировки нужно будет пройти весь список и восстановить обратные ссылки.

Листинг 5.22. Сортировка слиянием для двухсвязного списка

function TtdDoubleLinkList.dllMerge(aCompare : TtdCompareFunc;

aPriorNode1: PdlNode;

aCount1 : longint;

aPriorNode2: PdlNode;

aCount2 : longint);

PdlNode;

var

i : integer;

Node1 : PdlNode;

Node2 : PdlNode;

LastNode : PdlNode;

Temp : PdlNode;

begin

LastNode := aPriorNode1;

{извлечь первые два узла}

Node1 := aPriorNode1^.dlnNext;

Node2 := aPriorNode2^.dlnNext;

{повторять до тех nop, пока один из списков не опустеет}

while (aCount1 <> 0) and (aCount2 <> 0) do

begin

if (aCompare(Node1^.dlnData, Node2^.dlnData) <= 0) then begin

LastNode := Node1;

Node1 := Node1^.dlnNext;

dec(aCount1);

end

else begin

Temp := Node2^.dlnNext;

Node2^.dlnNext := Node1;

LastNode^.dlnNext := Node2;

LastNode := Node2;

Node2 := Temp;

dec(aCount2);

end;

end;

{если закончились элементы в первом списке, связать последний узел с оставшейся частью второго списка и пройти список до последнего узла}

if (aCount1 = 0) then begin

LastNode^.dlnNext := Node2;

for i := 0 to pred(aCount2) do LastNode := LastNode^.dlnNext;

end

{если закончились элементы во втором списке, то Node2 будет первым узлом в оставшемся списке;пройти список до последнего узла и связать его с узлом Node2}

else begin

for i := 0 to pred(aCount1) do LastNode := LastNode^.dlnNext;

LastNode^.dlnNext := Node2;

end;

{вернуть последний узел}

Result := LastNode;

end;

function TtdDoubleLinkList.dllMergesort(aCompare : TtdCompareFunc;

aPriorNode : PdlNode; aCount : longint): PdlNode;

var

Count2 : longint;

PriorNode2 : PdlNode;

begin

{сначала обрабатывается простой случай: если в списке всего один элемент, он отсортирован, поэтому выполнение функции завершается}

if (aCount = 1) then begin

Result := aPriorNode^.dlnNext;

Exit;

end;

{разбить список на две части}

Count2 := aCount div 2;

aCount := aCount - Count2;

{выполнить сортировку слиянием первой половины: вернуть начальный узел для второй половы}

PriorNode2 := dllMergeSort(aCompare, aPriorNode, aCount);

{выполнить сортировку слиянием второй половины}

dllMergeSort(aCompare, PriorNode2, Count2);

{объединить две половины}

Result := dllMerge(aCompare, aPriorNode, aCount, PriorNode2, Count2);

end;

procedure TtdDoubleLinkList.Sort(aCompare : TtdCompareFunc);

var

Dad, Walker : PdlNode;

begin

{если в списке больше одного элемента, выполнить сортировку для односвязного списка, а затем восстановить обратные ссылки}

if (Count > 1) then begin

dllMergesort(aCompare, FHead, Count);

Dad := FHead;

Walker := FHead^.dlnNext;

while (Walker <> nil) do

begin

Walker^.dlnPrior := Dad;

Dad := Walker;

Walker := Dad^.dlnNext;

end;

end;

MoveBeforeFirst;

FIsSorted := true;

end;

Резюме

В этой главе мы рассмотрели различные алгоритмы сортировки и изучили особенности и характеристики каждого из них. Были описаны базовые алгоритмы: пузырьковая сортировка, шейкер-сортировка и сортировка методом вставок, и было показано, что они принадлежат к классу O(n(^2^)). Затем были описаны два алгоритма со средним быстродействием: сортировка методом Шелла и сортировка прочесыванием. Их анализ был сложнее, чем для алгоритмов первой группы, но они были быстрее базовых алгоритмов. И, наконец, были рассмотрены два самых быстрых метода сортировки: сортировка слиянием и быстрая сортировка, которые принадлежат к классу O(n log(n)). Было показано, что в отличие от всех других методов, сортировка слиянием требует организации вспомогательного массива.

Для быстрой сортировки мы рассмотрели целый ряд возможных улучшений, подробно описывая каждое из них и оценивая его влияние на время выполнения алгоритма. Улучшения не оказывали влияния на функцию быстродействия алгоритма в контексте О-нотации, но, тем не менее, приводили к снижению константы пропорциональности, тем самым увеличивая скорость работы алгоритма.

И, наконец, было показано, каким образом сортировка слиянием применяется в отношении связных списков. В этом случае она не требует наличия вспомогательного массива и позволяет достичь максимальной эффективности.

Глава 6. Рандомизированные алгоритмы.

Возможно, у кого-то из вас, кто просто листал эту книгу и случайно наткнулся на данную главу, возник вопрос, что же такое рандомизированные алгоритмы! Это алгоритмы, работающие случайным образом? Ничего подобного. Здесь термин рандомизированный алгоритм (randomized algorithm) употребляется в отношении алгоритма, который генерирует или использует случайные числа.

Если вы на минутку отвлечетесь и подумаете над выражением "генерация случайных чисел", то, скорее всего, придете к выводу, что оно не имеет смысла. Компьютеры - это детерминированные машины: если существует определенная программа или функция, предназначенная для выполнения определенной работы, то для одного и того же набора входных данных она будет давать один и тот же набор выходных данных. (Если это не так, компьютер можно преспокойно отправлять в ремонт.) Без использования специального оборудования для генерации случайных чисел программные генераторы также представляют собой всего-навсего функции. Каким же образом вычисляемые ими числа могут быть случайными? Если запустить генератор в некотором определенном состоянии, то, изучив исходный код генератора, можно предсказать всю последовательность генерируемых им случайных чисел. Какие же это случайные числа? Скоро мы более подробно обсудим эту дилемму.

В состав ядра операционной системы Linux входит модуль, который анализирует, каким образом пользователь вводит данные с клавиатуры и оценивает интервал между нажатиями клавиш, а затем использует полученные данные для вычисления рандомизирующего коэффициента. Подобным образом генераторы случайных чисел, имеющиеся в ядре, дают более "случайные" последовательности значений.

С применением случайных чисел в алгоритмах мы уже встречались в главе 5: алгоритм быстрой сортировки со случайным выбором базового элемента. Причина, по которой в алгоритме сортировки использовались случайные числа, состояла в том, что этот алгоритм, несмотря на его высокие общие характеристики, обладает очень низкими характеристиками в худшем случае. За счет применения случайных чисел можно значительно снизить вероятность попадания на сценарий худшего случая. В этой главе мы рассмотрим новую структуру данных - списки с пропусками, которые представляют собой метод организации отсортированных связных списков с помощью случайных чисел, что существенно увеличивает скорость выполнения операции вставки нового элемента.