Пирамидальная сортировка

Пи­ра­ми­даль­ная сор­ти­ров­ка бы­ла пред­ло­же­на Дж. Уи­льям­сом в 1964 го­ду. Это ал­го­ритм сор­ти­ров­ки мас­си­ва про­из­воль­ных эле­мен­тов; тре­буе­мый им до­пол­ни­тель­ный объ­ём па­мя­ти не за­ви­сит от ко­ли­че­ства ис­ход­ных дан­ных. Вре­мя ра­бо­ты ал­го­рит­ма — в сред­нем, а так­же в луч­шем и худ­шем слу­ча­ях.

Пирамидальная сортировка (англ. Heapsort, «Сортировка кучей»[1]) — алгоритм сортировки, работающий в худшем, в среднем и в лучшем случае (то есть гарантированно) за Θ(n log n) операций при сортировке n элементов.[2] Количество применяемой служебной памяти не зависит от размера массива (то есть, O(1)).

Может рассматриваться как усовершенствованная сортировка пузырьком, в которой элемент всплывает (min-heap) / тонет (max-heap) по многим путям.

Сортировка пирамидой использует сортирующее дерево. Сортирующее дерево — это такое дерево, у которого выполнены условия:

Каждый лист имеет глубину либо , либо , — максимальная глубина дерева.

Значение в любой вершине не меньше (другой вариант — не больше) значения её потомков.

Удобная структура данных для сортирующего дерева — такой массив Array, что Array[1] — элемент в корне, а потомки элемента Array[i] являются Array[2i] и Array[2i+1].

Алгоритм сортировки будет состоять из двух основных шагов:

1. Выстраиваем элементы массива в виде сортирующего дерева:

при .

Этот шаг требует операций.

2. Будем удалять элементы из корня по одному за раз и перестраивать дерево. То есть

на первом шаге обмениваем Array[1] и Array[n], преобразовываем Array[1], Array[2], … , Array[n-1] в сортирующее дерево. Затем переставляем Array[1] и Array[n-1], преобразовываем Array[1], Array[2], … , Array[n-2] в сортирующее дерево. Процесс продолжается до тех пор, пока в сортирующем дереве не останется один элемент. Тогда Array[1], Array[2], … , Array[n] — упорядоченная последовательность.

Этот шаг требует операций.Достоинства

Имеет доказанную оценку худшего случая .

Сортирует на месте, то есть требует всего O(1) дополнительной памяти (если дерево организовывать так, как показано выше).

Недостатки

Сложен в реализации.

Неустойчив — для обеспечения устойчивости нужно расширять ключ.

На почти отсортированных массивах работает столь же долго, как и на хаотических данных.

На одном шаге выборку приходится делать хаотично по всей длине массива — поэтому алгоритм плохо сочетается с кэшированием и подкачкой памяти.

Не работает на связанных списках и других структурах памяти последовательного доступа

Сортировка слиянием при расходе памяти O(n) быстрее ( с меньшей константой) и не подвержена деградации на неудачных данных.

Из-за сложности алгоритма выигрыш получается только на больших n. На небольших n (до нескольких тысяч) быстрее сортировка Шелла.