11.6 归并排序

11.6.1 算法流程

11.6.2 算法特性

11.6.3 链表排序

11.6 归并排序

归并排序（merge sort）是一种基于分治策略的排序算法，包含图 11-10 所示的“划分”和“合并”阶段。

划分阶段：通过递归不断地将数组从中点处分开，将长数组的排序问题转换为短数组的排序问题。
合并阶段：当子数组长度为 1 时终止划分，开始合并，持续地将左右两个较短的有序数组合并为一个较长的有序数组，直至结束。

归并排序的划分与合并阶段

图 11-10 归并排序的划分与合并阶段

11.6.1 算法流程

如图 11-11 所示，“划分阶段”从顶至底递归地将数组从中点切分为两个子数组。

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] ）。
递归执行步骤 1. ，直至子数组区间长度为 1 时终止。

“合并阶段”从底至顶地将左子数组和右子数组合并为一个有序数组。需要注意的是，从长度为 1 的子数组开始合并，合并阶段中的每个子数组都是有序的。

merge_sort_step10

图 11-11 归并排序步骤

观察发现，归并排序与二叉树后序遍历的递归顺序是一致的。

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：先递归左子数组，再递归右子数组，最后处理合并。

归并排序的实现如以下代码所示。请注意，nums 的待合并区间为 [left, right] ，而 tmp 的对应区间为 [0, right - left] 。

merge_sort.c

/* 合并左子数组和右子数组 */
void merge(int *nums, int left, int mid, int right) {
    // 左子数组区间为 [left, mid], 右子数组区间为 [mid+1, right]
    // 创建一个临时数组 tmp ，用于存放合并后的结果
    int tmpSize = right - left + 1;
    int *tmp = (int *)malloc(tmpSize * sizeof(int));
    // 初始化左子数组和右子数组的起始索引
    int i = left, j = mid + 1, k = 0;
    // 当左右子数组都还有元素时，进行比较并将较小的元素复制到临时数组中
    while (i <= mid && j <= right) {
        if (nums[i] <= nums[j]) {
            tmp[k++] = nums[i++];
        } else {
            tmp[k++] = nums[j++];
        }
    }
    // 将左子数组和右子数组的剩余元素复制到临时数组中
    while (i <= mid) {
        tmp[k++] = nums[i++];
    }
    while (j <= right) {
        tmp[k++] = nums[j++];
    }
    // 将临时数组 tmp 中的元素复制回原数组 nums 的对应区间
    for (k = 0; k < tmpSize; ++k) {
        nums[left + k] = tmp[k];
    }
    // 释放内存
    free(tmp);
}

/* 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 - left) / 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);
}

11.6.2 算法特性

时间复杂度为 𝑂(𝑛log⁡𝑛)、非自适应排序：划分产生高度为 log⁡𝑛 的递归树，每层合并的总操作数量为 𝑛 ，因此总体时间复杂度为 𝑂(𝑛log⁡𝑛) 。
空间复杂度为 𝑂(𝑛)、非原地排序：递归深度为 log⁡𝑛 ，使用 𝑂(log⁡𝑛) 大小的栈帧空间。合并操作需要借助辅助数组实现，使用 𝑂(𝑛) 大小的额外空间。
稳定排序：在合并过程中，相等元素的次序保持不变。