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11.5.   归并排序

「归并排序 Merge Sort」是算法中“分治思想”的典型体现，其有「划分」和「合并」两个阶段：

  1. 划分阶段：通过递归不断 将数组从中点位置划分开，将长数组的排序问题转化为短数组的排序问题；
  2. 合并阶段：划分到子数组长度为 1 时，开始向上合并，不断将 左、右两个短排序数组 合并为 一个长排序数组，直至合并至原数组时完成排序；

归并排序的划分与合并阶段

Fig. 归并排序的划分与合并阶段

11.5.1.   算法流程

「递归划分」 从顶至底递归地 将数组从中点切为两个子数组，直至长度为 1 ；

  1. 计算数组中点 mid ，递归划分左子数组（区间 [left, mid] ）和右子数组（区间 [mid + 1, right] ）；
  2. 递归执行 1. 步骤，直至子数组区间长度为 1 时，终止递归划分；

「回溯合并」 从底至顶地将左子数组和右子数组合并为一个 有序数组 ；

需要注意，由于从长度为 1 的子数组开始合并，所以 每个子数组都是有序的。因此，合并任务本质是要 将两个有序子数组合并为一个有序数组。

归并排序步骤

merge_sort_step2

merge_sort_step3

merge_sort_step4

merge_sort_step5

merge_sort_step6

merge_sort_step7

merge_sort_step8

merge_sort_step9

merge_sort_step10

观察发现，归并排序的递归顺序就是二叉树的「后序遍历」。

  • 后序遍历：先递归左子树、再递归右子树、最后处理根节点。
  • 归并排序：先递归左子树、再递归右子树、最后处理合并。
merge_sort.java
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
void merge(int[] nums, int left, int mid, int right) {
    // 初始化辅助数组
    int[] tmp = Arrays.copyOfRange(nums, left, right + 1);   
    // 左子数组的起始索引和结束索引  
    int leftStart = left - left, leftEnd = mid - left;
    // 右子数组的起始索引和结束索引       
    int rightStart = mid + 1 - left, rightEnd = right - left;
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    int i = leftStart, j = rightStart;                
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for (int k = left; k <= right; k++) {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if (i > leftEnd)
            nums[k] = tmp[j++];
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        else if (j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j])
            nums[k] = tmp[i++];
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        else
            nums[k] = tmp[j++];
    }
}

/* 归并排序 */
void mergeSort(int[] nums, int left, int right) {
    // 终止条件
    if (left >= right) return;       // 当子数组长度为 1 时终止递归
    // 划分阶段
    int mid = (left + right) / 2;    // 计算中点
    mergeSort(nums, left, mid);      // 递归左子数组
    mergeSort(nums, mid + 1, right); // 递归右子数组
    // 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right);
}
merge_sort.cpp
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
void merge(vector<int>& nums, int left, int mid, int right) {
    // 初始化辅助数组
    vector<int> tmp(nums.begin() + left, nums.begin() + right + 1);   
    // 左子数组的起始索引和结束索引  
    int leftStart = left - left, leftEnd = mid - left;
    // 右子数组的起始索引和结束索引       
    int rightStart = mid + 1 - left, rightEnd = right - left;
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    int i = leftStart, j = rightStart;                
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for (int k = left; k <= right; k++) {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if (i > leftEnd)
            nums[k] = tmp[j++];
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        else if (j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j])
            nums[k] = tmp[i++];
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        else
            nums[k] = tmp[j++];
    }
}

/* 归并排序 */
void mergeSort(vector<int>& nums, int left, int right) {
    // 终止条件
    if (left >= right) return;       // 当子数组长度为 1 时终止递归
    // 划分阶段
    int mid = (left + right) / 2;    // 计算中点
    mergeSort(nums, left, mid);      // 递归左子数组
    mergeSort(nums, mid + 1, right); // 递归右子数组
    // 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right);
}
merge_sort.py
def merge(nums: list[int], left: int, mid: int, right: int) -> None:
    """ 合并左子数组和右子数组 """
    # 左子数组区间 [left, mid]
    # 右子数组区间 [mid + 1, right]
    # 初始化辅助数组
    tmp: list[int] = list(nums[left:right + 1])
    # 左子数组的起始索引和结束索引
    left_start: int = 0
    left_end: int = mid - left
    # 右子数组的起始索引和结束索引
    right_start: int = mid + 1 - left
    right_end: int = right - left
    # i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    i: int = left_start
    j: int = right_start
    # 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for k in range(left, right + 1):
        # 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if i > left_end:
            nums[k] = tmp[j]
            j += 1
        # 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        elif j > right_end or tmp[i] <= tmp[j]:
            nums[k] = tmp[i]
            i += 1
        # 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        else:
            nums[k] = tmp[j]
            j += 1

def merge_sort(nums: list[int], left: int, right: int) -> None:
    """ 归并排序 """
    # 终止条件
    if left >= right:
        return                        # 当子数组长度为 1 时终止递归
    # 划分阶段
    mid: int = (left + right) // 2    # 计算中点
    merge_sort(nums, left, mid)       # 递归左子数组
    merge_sort(nums, mid + 1, right)  # 递归右子数组
    # 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right)
merge_sort.go
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
func merge(nums []int, left, mid, right int) {
    // 初始化辅助数组 借助 copy 模块
    tmp := make([]int, right-left+1)
    for i := left; i <= right; i++ {
        tmp[i-left] = nums[i]
    }
    // 左子数组的起始索引和结束索引
    leftStart, leftEnd := left-left, mid-left
    // 右子数组的起始索引和结束索引
    rightStart, rightEnd := mid+1-left, right-left
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    i, j := leftStart, rightStart
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for k := left; k <= right; k++ {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if i > leftEnd {
            nums[k] = tmp[j]
            j++
            // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        } else if j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j] {
            nums[k] = tmp[i]
            i++
            // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        } else {
            nums[k] = tmp[j]
            j++
        }
    }
}

/* 归并排序 */
func mergeSort(nums []int, left, right int) {
    // 终止条件
    if left >= right {
        return
    }
    // 划分阶段
    mid := (left + right) / 2
    mergeSort(nums, left, mid)
    mergeSort(nums, mid+1, right)
    // 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right)
}
merge_sort.js
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
function merge(nums, left, mid, right) {
    // 初始化辅助数组
    let tmp = nums.slice(left, right + 1);   
    // 左子数组的起始索引和结束索引  
    let leftStart = left - left, leftEnd = mid - left;
    // 右子数组的起始索引和结束索引       
    let rightStart = mid + 1 - left, rightEnd = right - left;
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    let i = leftStart, j = rightStart;                
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for (let k = left; k <= right; k++) {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if (i > leftEnd) {
            nums[k] = tmp[j++];
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        } else if (j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j]) {
            nums[k] = tmp[i++];
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        } else {
            nums[k] = tmp[j++];
        }
    }
}

/* 归并排序 */
function mergeSort(nums, left, right) {
    // 终止条件
    if (left >= right) return;       // 当子数组长度为 1 时终止递归
    // 划分阶段
    let mid = Math.floor((left + right) / 2);    // 计算中点
    mergeSort(nums, left, mid);      // 递归左子数组
    mergeSort(nums, mid + 1, right); // 递归右子数组
    // 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right);
}
merge_sort.ts
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
function merge(nums: number[], left: number, mid: number, right: number): void {
    // 初始化辅助数组
    let tmp = nums.slice(left, right + 1);
    // 左子数组的起始索引和结束索引
    let leftStart = left - left, leftEnd = mid - left;
    // 右子数组的起始索引和结束索引
    let rightStart = mid + 1 - left, rightEnd = right - left;
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    let i = leftStart, j = rightStart;
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for (let k = left; k <= right; k++) {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if (i > leftEnd) {
            nums[k] = tmp[j++];
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        } else if (j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j]) {
            nums[k] = tmp[i++];
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        } else {
            nums[k] = tmp[j++];
        }
    }
}

/* 归并排序 */
function mergeSort(nums: number[], left: number, right: number): void {
    // 终止条件
    if (left >= right) return; // 当子数组长度为 1 时终止递归
    // 划分阶段
    let mid = Math.floor((left + right) / 2); // 计算中点
    mergeSort(nums, left, mid); // 递归左子数组
    mergeSort(nums, mid + 1, right); // 递归右子数组
    // 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right);
}
merge_sort.c
merge_sort.cs
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
void merge(int[] nums, int left, int mid, int right)
{
    // 初始化辅助数组
    int[] tmp = nums[left..(right + 1)];
    // 左子数组的起始索引和结束索引  
    int leftStart = left - left, leftEnd = mid - left;
    // 右子数组的起始索引和结束索引       
    int rightStart = mid + 1 - left, rightEnd = right - left;
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    int i = leftStart, j = rightStart;
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for (int k = left; k <= right; k++)
    {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if (i > leftEnd)
            nums[k] = tmp[j++];
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        else if (j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j])
            nums[k] = tmp[i++];
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        else
            nums[k] = tmp[j++];
    }
}

/* 归并排序 */
void mergeSort(int[] nums, int left, int right)
{
    // 终止条件
    if (left >= right) return;       // 当子数组长度为 1 时终止递归
    // 划分阶段
    int mid = (left + right) / 2;    // 计算中点
    mergeSort(nums, left, mid);      // 递归左子数组
    mergeSort(nums, mid + 1, right); // 递归右子数组
    // 合并阶段
    merge(nums, left, mid, right);
}
merge_sort.swift
/* 合并左子数组和右子数组 */
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
func merge(nums: inout [Int], left: Int, mid: Int, right: Int) {
    // 初始化辅助数组
    let tmp = Array(nums[left ..< (right + 1)])
    // 左子数组的起始索引和结束索引
    let leftStart = left - left
    let leftEnd = mid - left
    // 右子数组的起始索引和结束索引
    let rightStart = mid + 1 - left
    let rightEnd = right - left
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    var i = leftStart
    var j = rightStart
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    for k in left ... right {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if i > leftEnd {
            nums[k] = tmp[j]
            j += 1
        }
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        else if j > rightEnd || tmp[i] <= tmp[j] {
            nums[k] = tmp[i]
            i += 1
        }
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        else {
            nums[k] = tmp[j]
            j += 1
        }
    }
}

/* 归并排序 */
func mergeSort(nums: inout [Int], left: Int, right: Int) {
    // 终止条件
    if left >= right { // 当子数组长度为 1 时终止递归
        return
    }
    // 划分阶段
    let mid = (left + right) / 2 // 计算中点
    mergeSort(nums: &nums, left: left, right: mid) // 递归左子数组
    mergeSort(nums: &nums, left: mid + 1, right: right) // 递归右子数组
    // 合并阶段
    merge(nums: &nums, left: left, mid: mid, right: right)
}
merge_sort.zig
// 合并左子数组和右子数组
// 左子数组区间 [left, mid]
// 右子数组区间 [mid + 1, right]
fn merge(nums: []i32, left: usize, mid: usize, right: usize) !void {
    // 初始化辅助数组
    var mem_arena = std.heap.ArenaAllocator.init(std.heap.page_allocator);
    defer mem_arena.deinit();
    const mem_allocator = mem_arena.allocator();
    var tmp = try mem_allocator.alloc(i32, right + 1 - left);
    std.mem.copy(i32, tmp, nums[left..right+1]);
    // 左子数组的起始索引和结束索引  
    var leftStart = left - left;
    var leftEnd = mid - left;
    // 右子数组的起始索引和结束索引       
    var rightStart = mid + 1 - left;
    var rightEnd = right - left;
    // i, j 分别指向左子数组、右子数组的首元素
    var i = leftStart;
    var j = rightStart;
    // 通过覆盖原数组 nums 来合并左子数组和右子数组
    var k = left;
    while (k <= right) : (k += 1) {
        // 若“左子数组已全部合并完”，则选取右子数组元素，并且 j++
        if (i > leftEnd) {
            nums[k] = tmp[j];
            j += 1;
        // 否则，若“右子数组已全部合并完”或“左子数组元素 <= 右子数组元素”，则选取左子数组元素，并且 i++
        } else if  (j > rightEnd or tmp[i] <= tmp[j]) {
            nums[k] = tmp[i];
            i += 1;
        // 否则，若“左右子数组都未全部合并完”且“左子数组元素 > 右子数组元素”，则选取右子数组元素，并且 j++
        } else {
            nums[k] = tmp[j];
            j += 1;
        }
    }
}

// 归并排序
fn mergeSort(nums: []i32, left: usize, right: usize) !void {
    // 终止条件
    if (left >= right) return;              // 当子数组长度为 1 时终止递归
    // 划分阶段
    var mid = (left + right) / 2;           // 计算中点
    try mergeSort(nums, left, mid);         // 递归左子数组
    try mergeSort(nums, mid + 1, right);    // 递归右子数组
    // 合并阶段
    try merge(nums, left, mid, right);
}

下面重点解释一下合并方法 merge() 的流程：

  1. 初始化一个辅助数组 tmp 暂存待合并区间 [left, right] 内的元素，后续通过覆盖原数组 nums 的元素来实现合并；
  2. 初始化指针 i , j , k 分别指向左子数组、右子数组、原数组的首元素；
  3. 循环判断 tmp[i] 和 tmp[j] 的大小，将较小的先覆盖至 nums[k] ，指针 i , j 根据判断结果交替前进（指针 k 也前进），直至两个子数组都遍历完，即可完成合并。

合并方法 merge() 代码中的主要难点：

  • nums 的待合并区间为 [left, right] ，而因为 tmp 只复制了 nums 该区间元素，所以 tmp 对应区间为 [0, right - left] ，需要特别注意代码中各个变量的含义。
  • 判断 tmp[i] 和 tmp[j] 的大小的操作中，还 需考虑当子数组遍历完成后的索引越界问题，即 i > leftEnd 和 j > rightEnd 的情况，索引越界的优先级是最高的，例如如果左子数组已经被合并完了，那么不用继续判断，直接合并右子数组元素即可。

11.5.2.   算法特性

时间复杂度 \(O(n \log n)\) ：划分形成高度为 \(\log n\) 的递归树，每层合并的总操作数量为 \(n\) ，总体使用 \(O(n \log n)\) 时间。

空间复杂度 \(O(n)\) ：需借助辅助数组实现合并，使用 \(O(n)\) 大小的额外空间；递归深度为 \(\log n\) ，使用 \(O(\log n)\) 大小的栈帧空间，因此是“非原地排序”。

在合并时，不改变相等元素的次序，是“稳定排序”。

11.5.3.   链表排序 *

归并排序有一个很特别的优势，用于排序链表时有很好的性能表现，空间复杂度可被优化至 \(O(1)\) ，这是因为：

  • 由于链表可仅通过改变指针来实现节点增删，因此“将两个短有序链表合并为一个长有序链表”无需使用额外空间，即回溯合并阶段不用像排序数组一样建立辅助数组 tmp ；
  • 通过使用「迭代」代替「递归划分」，可省去递归使用的栈帧空间；

详情参考：148. 排序链表

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