Наше новейшее открытие – быстрый, как ракета, двоичный поиск. Но работает он лишь в сортированном массиве. Так в чем вопрос? Разве сортировка «пузырьком» нам не покорилась? Увы! «Пузырек» насколько же нетороплив, насколько и прост. Много ли проку от быстрого поиска, если выигрыш времени съест сортировка? Так ускорим её!

"Фермерская" сортировка

Отчего так медленно «всплывают пузырьки»? Не оттого ли, что мы сравниваем и обмениваем соседние элементы? Уяснить тонкости сортировки нам поможет правдивая история из жизни двух друзей.

Некий фермер — левша по имени Лефт — удостоился чести поставлять арбузы к столу Его Величества. Желая превзойти конкурентов и сохранить за собой королевский заказ, Лефт решил отбирать из урожая самые крупные ягоды (арбуз — это ягода). Выложив арбузы в длинный ряд, Лефт занялся их сортировкой. Работая в одиночку, он применил единственный доступный ему способ — «пузырёк». После трёх дней мучительных сравнений и перестановок Лефт понял, что без помощника ему не обойтись.

Сортировать урожай следующего года он позвал своего соседа и приятеля по имени Райт. Вдвоем они стали работать новым, придуманным Лефтом способом. Лефт стал у первого арбуза, а его приятель Райт побежал в конец ряда. Оттуда Райт стал продвигаться навстречу Лефту, сравнивая арбузы с тем, у которого прохлаждался Лефт (арбузы взвесили заранее, а вес нацарапали на кожуре). Когда Райт находил арбуз легче того, у которого стоял Лефт, их меняли местами: друзья просто швыряли арбузы друг другу.

Наконец Райт вплотную подошел к Лефту, и тогда на месте, где стоял Лефт, оказался самый легкий арбуз. Лефт шагнул ко второму арбузу, а Райт снова побежал в конец ряда, и всё повторилось. По окончании второго цикла на втором месте в ряду, где стоял Лефт, очутился второй по величине арбуз. Теперь первые два арбуза были отсортированы, и Лефт соизволил шагнуть к третьему. К сумеркам, совершив N-1 таких циклов, друзья закончили работу. Лефт, свежий как огурчик, ступил, наконец, к последнему арбузу, недоумевая, отчего его приятель Райт едва волочит ноги?

Рис. 94 – Сортировка массива с встречным движением индексов

Пусть друзья отдыхают, а мы поразмыслим, много ли толку в изобретении Лефта? Поскольку при каждом обмене арбузы перемещались на большое расстояние, то возможно, что таких обменов потребовалось меньше, чем при «пузырьке». Пока это лишь догадка, которую предстоит проверить. А пока соорудим и испытаем процедуру сортировки, придуманную Лефтом, назовём её FarmSort — «фермерская» сортировка.

Программа с процедурой перед вами. Введите её и проверьте, действительно ли процедура Лефта сортирует массив, не ошибся ли фермер?

{ P_43_1 проверка "фермерской" сортировки }

const

      CSize=10; { размер массива }

type

      TNumbers = array [1..CSize] of Integer; { тип для массива }

var

      Arr : TNumbers;       { сортируемый массив }

      { Процедура "фермерской" сортировки }

procedure FarmSort(var arg: TNumbers);

var L, R, T: Integer;

begin

for L := 1 to CSize-1 do

      { Сдвигаем правый индекс влево }

      for R := CSize downto L+1 do begin

      { Если левый элемент оказался больше правого,

      то меняем элементы местами }

      if arg[L] > arg[R] then begin

      { Перестановка элементов массива }

      T:= arg[L]; arg[L]:= arg[R]; arg[R]:= T;

      end;

      end;

end;

      { Процедура распечатки массива, arg – строка сообщения }

procedure ShowArray(const arg: string);

var i: integer;

begin

      Writeln(arg);

      for i:=1 to CSize do Writeln(Arr[i]);

      Readln;

end;

var i: integer;

begin

      { Заполняем массив случайными числами }

      for i:=1 to CSize do Arr[i]:=1+Random(1000);

      ShowArray('До сортировки:');

      FarmSort(Arr);

      ShowArray('После сортировки:');

end.

Быстрая сортировка

«Здесь что-то не так, – стучало в голове Райта, пока он челноком мотался из конца в конец ряда, – почему я бегаю, а он стоит? Это несправедливо! К следующему урожаю я придумаю лучший способ сортировки!».

Через год Лефт опять позвал Райта на помощь.

Хорошо, – согласился Райт, – но теперь командовать буду я.

Пройдясь вдоль ряда, Райт прикинул на глазок вес среднего по величине арбуза. «Запомни этот вес, – сказал он Лефту, – и ступай к началу ряда», – а сам отправился в другой конец. «Теперь иди ко мне, пока не найдешь арбуз тяжелее указанного мною». Лефт так и сделал, – найдя первый такой арбуз, он остановился и крикнул об этом Райту. «Теперь моя очередь!» – отозвался Райт и стал двигаться навстречу Лефту, попутно отыскивая арбуз, легче среднего. Дойдя до такого арбуза, Райт остановился и скомандовал: «Меняем арбузы местами!», – и друзья швырнули арбузы друг другу.

– Снова твоя очередь! – крикнул Райт, – продолжай двигаться ко мне! – а сам присел отдохнуть.

Так поочередно друзья шли навстречу друг другу, время от времени обмениваясь арбузами. Где то в середине ряда они встретились.

– Ну и чем обернулась твоя идея со средним арбузом? – ядовито осведомился Лефт, – мы уже встретились, не отсортировав ни единого!

– Да, – согласился Райт, – зато любой арбуз на твоей левой половине ряда легче любого на моей правой половине.

– Откуда ты знаешь?

– Оттуда! Ведь все твои арбузы легче среднего, а все мои – тяжелее!

– Да, пожалуй, так, но что нам это даёт? – не унимался Лефт.

– А то, что теперь эти две половинки ряда можно сортировать отдельно. Смекнул? Нам меньше бегать придется, ведь расстояния вдвое короче!

– И как же мы будем сортировать эти половинки?

– Тем же порядком, но по очереди, – сначала твою половину, потом мою.

И Райт стал прикидывать средний вес арбузов в левой половине ряда. Этот средний вес был, разумеется, меньше того, что в первом случае. Переведя дух, друзья повторили те же действия с левой половиной ряда. В серединке этой половинки они встретились вновь.

– Видишь, как быстро мы сошлись, – отметил Райт, – а все потому, что ряд стал вдвое короче. Теперь все арбузы в левой четвертинке легче тех, что в правой четвертинке. Продолжим действовать так же, и отсортируем четвертинки по отдельности.

И фермеры продолжили дележку ряда: первую четвертинку разбили на две осьмушки, первую осьмушку – на две шестнадцатых и так далее, пока кусочек ряда не съежился до одного-двух арбузов. Этот кусочек они отсортировали моментально и пружина стала раскручиваться в обратную сторону. В конце концов, они вернулись к оставленным ранее частям ряда и отсортировали вторую осьмушку, вторую четвертинку и вторую половинку.

– Готово! – радостно выдохнул Райт. – Гляди-ка, ещё утренняя роса не просохла!

– Нич-ч-чо не понимаю, – сдался Лефт, – но ты, похоже, гений!

И приятели отправились завтракать.

Процедура быстрой сортировки

Друзья заслужили отдых, и теперь наш черед. Возьмем алгоритм Райта и проверим, так ли он хорош?

В целом алгоритм ясен, неясно лишь, как выбрать средний арбуз? В идеале его вес должен быть таким, чтобы половина арбузов в сортируемой части массива была легче среднего, а другая половина – тяжелее. Только тогда массив будет разрублен строго пополам. Увы! У нас нет простого способа найти вес такого арбуза! Даже усреднив веса арбузов в сортируемой части, мы можем не угадать это число.

К счастью, все не так уж плохо. Опыт показал, что делить массив строго пополам совсем не обязательно. Например, при делении ряда в пропорции 1/3 и 2/3 сортировка почти не ухудшится. Значит, можно оценивать вес среднего арбуза «на глазок» (как это делал Райт). Будем вычислять его как среднее арифметическое для трех арбузов: двух крайних и того, что лежит в середине сортируемой части массива.

Тогда формула для определения веса среднего арбуза будет такой:

      Средний вес := (Вес[L] + Вес[(L + R)/2] + Вес [R]) / 3;

Здесь L и R – индексы элементов для начала и конца сортируемой части массива. Повторяю, – это лишь один из возможных вариантов определения среднего веса.

Рис. 95 – Изменения массива при «быстрой» сортировке

Вы принимаете эту формулу? Тогда перейдем к процедуре быстрой сортировки по имени QuickSort (Quickly – «быстро», Sort – «сортировка»). Вот она вместе с проверяющей её программой.

{ P_43_2 QuickSort – Быстрая сортировка }

const CSize=10; { размер массива }

type TNumbers = array [1..CSize] of Integer;

var Arr : TNumbers;

      { Процедура быстрой сортировки }

procedure QuickSort(var arg: TNumbers; aL, aR: Integer);

var

      L, R : integer; { левый и правый индексы }

      M, T : Integer; { среднее значение и временное хранилище }

begin

      { Начальные значения левого и правого индексов }

      L:= aL; R:= aR;

      { Вычисляем среднее по трём (порог для сравнения ) }

      M:= (arg[L] + arg[(L + R) div 2] + arg[R]) div 3;

      repeat       { Цикл встречного движения }

      { Пока левый элемент меньше среднего,

      двигаем левый индекс вправо }

      while arg[L] < M do L:=L+1;

      { Пока правый элемент больше среднего,

      двигаем правый индекс влево }

      while arg[R] > M do R:=R–1;

      { После остановки сравниваем индексы }

      if L <= R then begin

      { Здесь индексы ещё не "встретились", поэтому,

      если левый элемент оказался больше правого,

      меняем их местами }

      if arg[L]>arg[R] then begin

      t:= arg[L]; arg[L]:= arg[R]; arg[R]:= t;

      end;

      { Индексы «делают шаг» навстречу друг другу }

      L:=L+1; R:=R-1;

      end;

      until L > R; { пока индексы не "встретятся" }

      { если левая часть не отсортирована, то сортируем её }

      if R > aL then QuickSort(arg, aL, R);

      { если правая часть не отсортирована, то её тоже сортируем }

      if L < aR then QuickSort(arg, L, aR);

      { выход после сортировки обеих частей }

end;

      { Процедура распечатки массива, arg – строка сообщения }

procedure ShowArray(const arg: string);

var i: integer;

begin

      Writeln(arg);

      for i:=1 to CSize do Writeln(Arr[i]);

      Readln;

end;

var i: integer;

begin       {--- Главная программа ---}

      { Заполняем массив случайными числами }

      for i:=1 to CSize do Arr[i]:=1+Random(1000);

      ShowArray('До сортировки:');

      QuickSort(Arr, 1, CSize);

      ShowArray('После сортировки:');

end.

Взгляните на параметры процедуры QuickSort. Вместе со ссылкой на массив, в процедуру передаются левая (aL) и правая (aR) границы сортируемой части массива (индексы). В процедуре вычисляется вес среднего арбуза по выбранной нами формуле и организуется поочередное встречное движение левого и правого индексов.

Самое интересное происходит после «встречи» индексов, когда массив разбит на две части. Удивительно, что теперь снова дважды вызывается та же самая процедура QuickSort: сначала для левой части массива, а затем – для правой (эти операторы выделены курсивом). Вспомните, – точно так же поступали и фермеры при сортировке арбузов.

«Так там фермеры, а здесь Паскаль! Позволено ль процедуре вызывать саму себя?» – слышу недоверчивый вопрос. Мы свыклись с тем, что из одной процедуры вызывают другую, из второй, – третью и так далее. Но чтобы саму себя? Это ж змея, глотающая свой хвост! Не оттого ли запутался фермер Лефт?

О рекурсии и стеке

Такой самовызов процедур называют рекурсией. «У попа была собака…» – помните? Это рекурсия, познакомимся с нею ближе (с рекурсией, а не собакой).

Легко заметить, что повторные вызовы процедуры QuickSort выполняются с другими значениями левой и правой границ. Чем глубже вызов, тем уже эти границы. С некоторого момента условия (R > aL) и (L < aR) перестают выполняться, и происходит выход из процедуры, – здесь фермеры возвращаются к несортированным частям массива. Таким образом, при выходе мы снова попадаем в эту же процедуру, но в другое место – следующее за вызовом. Окончательный выход из процедуры в главную программу случится только по завершении сортировки всего массива!

Напрашивается вопрос: какова судьба локальных переменных и параметров при повторных входах в процедуру? Ведь они изменятся, а это должно нарушить работу процедуры. Параметры и локальные переменные действительно изменяются, но это не путает алгоритм. Почему?

Разгадка в том, что при каждом входе в процедуру для её параметров и локальных переменных выделяется новый участок памяти. Теперь это будут уже другие параметры и локальные переменные, но с прежними названиями. Однако предыдущие их значения не теряются, а сохраняются в памяти, называемой стеком (Stack).

Что такое стек и как он работает? Случалось ли вам паковать рюкзак или глубокую сумку? Тогда вы знакомы со стеком. Все, что уложено в рюкзак, будет извлекаться из него в обратном порядке. Так же устроен и стек: при каждом вызове процедуры память для параметров и локальных переменных выделяется на его вершине. Эти новые значения временно закрывают предыдущие значения параметров, и так происходит при каждом входе в процедуру.

При выходе из неё последние значения параметров и локальных переменных удаляются с вершины стека, и тогда вновь открываются ранее скрытые. Так процедура «вспоминает» о неоконченной работе, и продолжает действия с параметрами, сохраненными в стеке ранее. В некоторый момент стек пустеет (когда все вещи из рюкзака вынуты), и тогда происходит окончательный выход из процедуры в главную программу.

Механизм стековой памяти заложен в конструкцию процессора, и он не требует участия программиста. Стек используется для любых процедур и функций, а не только рекурсивных.

Но стоп! О стеке поговорим позже, а сейчас займемся делом. Введите программу «P_43_2» и убедитесь в её правильной работе.

Алгоритмы, на старт!

Теперь в нашем распоряжении есть три процедуры сортировки, не устроить ли состязание между ними? На старт вызываются:

• BubbleSort – «пузырьковая» сортировка,

• FarmSort – «фермерская» сортировка,

• QuickSort – быстрая сортировка.

Время «спортсменов» мы будем засекать не по часам. И вы знаете, почему: мы сравниваем алгоритмы, а не компьютеры. В 42-й главе, где сравнивались алгоритмы поиска, мы оценивали время по количеству выполненных шагов. Поступим и здесь похожим образом. Вспомним, в чем состоит сортировка? – в сравнениях и перестановках. И много-много раз… Значит, трудоемкость сортировки можно оценить количеством этих двух операций – сравнений и перестановок, надо их только посчитать.

Что ж, дело нехитрое, сейчас посчитаем, – перед вами программа для наших опытов («P_43_3»). Количество сравнений и перестановок будем накапливать в переменных C1 и C2. Обратите внимание на их тип – EXTENDED, – это переменные действительного типа. Почему не длинное целое? При сортировке больших массивов может потребоваться столь много операций, что не хватит целочисленной переменной, – она переполнится, «лопнет», и результат исказится. Потому выбран тип EXTENDED.

Далее в программе следуют знакомые вам процедуры сортировки, – это наши «спортсмены». В их тела «вживлены» дополнительные операторы для подсчета сравнений (C1) и перестановок (C2), – они выделены курсивом. Наконец, главная программа, – она вызывает по очереди каждую из процедур и печатает количество сравнений и перестановок. Здесь равные условия для соревнующихся создаются загодя сформированным случайным массивом Arr0, который копируется в массив Arr перед каждой сортировкой.

Вам осталось лишь задать размер массива константой CSize, скомпилировать и запустить программу.

{ P_43_3 – Сравнение алгоритмов сортировки }

const CSize=100; { размер массивов }

type TNumbers = array [1..CSize] of Integer;

var Arr0 : TNumbers; { несортированный массив-заготовка }

      Arr : TNumbers; { сортируемый массив }

      C1, C2 : extended; { счетчики сравнений и перестановок }

{ BubbleSort "пузырьковая" сортировка }

procedure BubbleSort(var arg: TNumbers);

var i, j, t: Integer;

begin

      for i:= 1 to CSize-1 do

      for j:= 1 to CSize-i do begin

      C1:=C1+1; { подсчет сравнений }

      if arg[j] > arg[j+1] then begin

      C2:=C2+1; { подсчет перестановок }

      t:= arg[j]; arg[j]:= arg[j+1]; arg[j+1]:= t;

      end;

      end;

end;

{ FarmSort – «Фермерская» сортировка }

procedure FarmSort(var arg: TNumbers);

var L, R, T: Integer;

begin

      for L := 1 to CSize-1 do

      for R := CSize downto L+1 do begin

      C1:=C1+1; { подсчет сравнений }

      if arg[L] > arg[R] then begin

      C2:=C2+1; { подсчет перестановок }

      T:= arg[L]; arg[L]:= arg[R]; arg[R]:= T;

      end;

      end;

end;

      { QuickSort – Быстрая сортировка }

procedure QuickSort(var arg: TNumbers; aL, aR: Integer);

var

L, R, Mid, T: Integer;

begin

L:= aL; R:= aR;

Mid:= (arg[L] + arg[(L + R) div 2] + arg[R]) div 3;

repeat

      while arg[L] < Mid do begin L:=L+1; C1:=C1+1 end;

      while arg[R] > Mid do begin R:=R-1; C1:=C1+1 end;

      if L <= R then begin

      if arg[L]>arg[R] then begin

      C2:=C2+1; { подсчет перестановок }

      t:= arg[L]; arg[L]:= arg[R]; arg[R]:= t;

      end;

      L:=L+1; R:=R-1;

      end;

      until L > R;

      if R > aL then QuickSort(arg, aL, R);

      if L < aR then QuickSort(arg, L, aR);

end;

const CFName = 'P_43_3.out';

var i: integer;

F: text;

begin

Assign(F,CFName); Rewrite(F);

for i:=1 to CSize do Arr0[i]:=1+Random(10000);

Writeln(F, 'Размер массива = ', CSize);

Writeln(F, 'Алгоритм       Количество Количество');

Writeln(F, 'сортировки сравнений перестановок');

C1:=0; C2:=0;       { очистить счетчики }

Arr:= Arr0;       { заполнить сортируемый массив }

BubbleSort(Arr);

Writeln(F, 'Пузырьковая:', C1:12:0, C2:12:0);

C1:=0; C2:=0;       { очистить счетчики }

Arr:= Arr0;       { заполнить сортируемый массив }

FarmSort(Arr);

Writeln(F, 'Фермерская :', C1:12:0, C2:12:0);

C1:=0; C2:=0;       { очистить счетчики }

Arr:= Arr0;       { заполнить сортируемый массив }

QuickSort(Arr, 1, CSize);

Writeln(F, 'Быстрая :', C1:12:0, C2:12:0);

Writeln('OK !'); Readln;

Close(F);

end.

Вот что получилось для массива из 1000 элементов.

Размер массива = 1000

Алгоритм       Количество Количество

сортировки сравнений перестановок

Пузырьковая: 499500       248061

Фермерская : 499500       80887

Быстрая :       5871       2417

Я провел три опыта с массивами из 100, 1000 и 10000 элементов, а результаты занес в две таблички. Что сказать по этому поводу?

Табл. 9 – Количество сравнений в разных методах сортировки

Из табл. 9 следует, что по количеству сравнений «Фермерская» сортировка не лучше «пузырька». Зато быстрая сортировка оправдывает свое название, – выигрыш составляет от 10 до 600 раз! И чем больше массив, тем заметней этот разрыв.

Табл. 10 – Количество перестановок в разных методах сортировки

А что с количеством перестановок (табл. 2)? Здесь «фермерская» сортировка всё же в 3—4 раза обгоняет «пузырёк». Так что фермеру Лефту в сметливости не откажешь. И всё же этому «спортсмену» далеко до изобретения Райта! В сравнении с «пузырьком» выигрыш стократный, и стремительно растёт с ростом размера массива. Слава, слава фермеру Райту! Кстати, историки выяснили его настоящее имя: это англичанин Чарльз Хоар.

Рис.96 – Кто здесь чемпион?

Итак, с чемпионом все ясно (рис. 96), но в чем секрет его успеха? Сравним чемпиона с отставшими. Чем больше массив, тем дольше он сортируется, – это справедливо для любого алгоритма. Долгие методы обрабатывают весь массив N раз, где N – размер массива. Поэтому их трудоемкость пропорциональна произведению N•N. По этой формуле вычисляют площадь квадрата, и такую зависимость называют квадратичной.

Иное дело – чемпион. Дробя массив на мелкие участки, быстрый алгоритм уменьшает число прохождений всего массива до величины Log2N. Поэтому его трудоемкость растёт пропорционально произведению N•Log2N. Опять логарифм? Да, мы помним его по двоичному поиску. Поскольку логарифм числа растёт очень медленно, это объясняет чемпионство QuickSort (рис. 97).

Рис.97 – Рост трудоемкости сортировки с ростом размера массива

Итоги

• Двоичный поиск – это самый быстрый способ поиска, но он требует предварительной сортировки массива.

• Простые методы сортировки – BubbleSort и FarmSort – работают очень медленно, съедая всю экономию от двоичного поиска.

• QuickSort – это быстрый способ сортировки, который в сочетании с резвым двоичным поиском ускорит работу ваших программ.

А слабо?

А) Исследуйте процедуру быстрой сортировки в пошаговом режиме (задайте небольшой размер сортируемого массива). Обратите внимание на изменение границ сортируемой части.

Б) Определите количество повторных входов в процедуру QuickSort и выходов из нее. Объявите глобальную переменную, назовем её Level – «уровень». В главной программе, перед вызовом процедуры QuickSort, эту переменную надо обнулить, а внутри процедуры добавить следующие операторы.

В начале процедуры QuickSort:

begin

      Inc(Level); Writeln('Уровень на входе = ', Level);

В конце процедуры QuickSort:

      Dec(Level); Writeln('Уровень на выходе = ', Level);

end;

В) Если каждый вызов QuickSort делит массив примерно пополам, то наибольшее значение переменной Level должно составить приблизительно Log2N (у нас размер массива задан константой CSize). Проверьте эту догадку компиляцией и запуском программы для нескольких значений CSize.

Г) В одном ряду вперемежку лежат дыни и арбузы. Могут ли фермеры отсортировать их за один проход ряда так, чтобы в начале оказались все дыни, а в конце ряда – все арбузы? Напишите такую программу, обозначив арбузы единицами, а дыни – нулями.