Сортировка слиянием

Действие алгоритма на примере сортировки случайных точек.

Сортировка слиянием (англ. merge sort) — алгоритм сортировки, который упорядочивает списки (или другие структуры данных, доступ к элементам которых можно получать только последовательно, например — потоки) в определённом порядке. Эта сортировка — хороший пример использования принципа «разделяй и властвуй». Сначала задача разбивается на несколько подзадач меньшего размера. Затем эти задачи решаются с помощью рекурсивного вызова или непосредственно, если их размер достаточно мал. Наконец, их решения комбинируются, и получается решение исходной задачи.

Для решения задачи сортировки эти три этапа выглядят так:

1. Сортируемый массив разбивается на две части примерно одинакового размера;
2. Каждая из получившихся частей сортируется отдельно, например — тем же самым алгоритмом;
3. Два упорядоченных массива половинного размера соединяются в один.

Рекурсивное разбиение задачи на меньшие происходит до тех пор, пока размер массива не достигнет единицы (любой массив длины 1 можно считать упорядоченным).

Нетривиальным этапом является соединение двух упорядоченных массивов в один. Основную идею слияния двух отсортированных массивов можно объяснить на следующем примере. Пусть мы имеем две стопки карт, лежащих рубашками вниз так, что в любой момент мы видим верхнюю карту в каждой из этих стопок. Пусть также, карты в каждой из этих стопок идут сверху вниз в неубывающем порядке. Как сделать из этих стопок одну? На каждом шаге мы берём меньшую из двух верхних карт и кладём её (рубашкой вверх) в результирующую стопку. Когда одна из оставшихся стопок становится пустой, мы добавляем все оставшиеся карты второй стопки к результирующей стопке.

Псевдокод на C++-подобном языке:

L = *In1;
R = *In2;
if( L == R )
{
 *Out++ = L;
 In1++;
 *Out++ = R;
 In2++;
}
else if( L < R )
{
 *Out++ = L;
 In1++;
}
else
{
 *Out++ = R;
 In2++;
}

Кнут высказал предположение, что этот алгоритм был изобретён Джоном фон Нейманом в 1945 году. Никаких других источников, подтверждающих это предположение нет.

Время работы алгоритма порядка O(n * log n) при отсутствии деградации на неудачных случаях, которая есть больное место быстрой сортировки (тоже алгоритм порядка O(n * log n), но только для лучшего случая). Расход памяти выше, чем для быстрой сортировки, при намного более благоприятном паттерне выделения памяти — возможно выделение одного региона памяти с самого начала и отсутствие выделения при дальнейшем исполнении.

Популярная реализация требует однократно выделяемого временного буфера памяти, равного сортируемому массиву, и не имеет рекурсий. Шаги реализации:

1. InputArray = сортируемый массив, OutputArray = временный буфер
2. над каждым отрезком входного массива InputArray[N * MIN_CHUNK_SIZE..(N + 1) * MIN_CHUNK_SIZE] выполняется какой-то вспомогательный алгоритм сортировки, например, сортировка Шелла или быстрая сортировка.
3. устанавливается ChunkSize = MIN_CHUNK_SIZE
4. сливаются два отрезка InputArray[N * ChunkSize..(N + 1) * ChunkSize] и InputArray[(N + 1) * ChunkSize..(N + 2) * ChunkSize] попеременным шаганием слева и справа (см. выше), результат помещается в OutputArray[N * ChunkSize..(N + 2) * ChunkSize], и так для всех N, пока не будет достигнут конец массива.
5. ChunkSize удваивается
6. если ChunkSize стал >= размера массива — то конец, результат в OutputArray, который (ввиду перестановок, описанных ниже) есть либо сортируемый массив, либо временный буфер, во втором случае он целиком копируется в сортируемый массив.
7. иначе меняются местами InputArray и OutputArray перестановкой указателей, и все повторяется с пункта 4.

Такая реализация также поддерживает размещение сортируемого массива и временного буфера в дисковых файлах, то есть пригодна для сортировки огромных объемов данных. Реализация ORDER BY в СУБД MySQL при отсутствии подходящего индекса устроена именно так (источник: filesort.cc в исходном коде MySQL).

Пример реализации алгоритма простого двухпутевого слияния на псевдокоде:

function mergesort(m)
    var list left, right, result
    if length(m) ≤ 1
        return m
    else
        middle = length(m) / 2
        for each x in m up to middle
            add x to left
        for each x in m after middle
            add x to right
        left = mergesort(left)
        right = mergesort(right)
        result = merge(left, right)
        return result
    end if

Есть несколько вариантов функции merge(), наиболее простой вариант может выглядеть как

function merge(left,right)
    var list result
    while length(left) > 0 and length(right) > 0
        if first(left) ≤ first(right)
            append first(left) to result
            left = rest(left)
        else
            append first(right) to result
            right = rest(right)
        end if
    if length(left) > 0 
        append left to result
    if length(right) > 0 
        append right to result
    return result

Литература

• Ананий В. Левитин. Глава 4. Метод декомпозиции: Сортировка слиянием // Алгоритмы: введение в разработку и анализ = Introduction to The Design and Analysis of Algorithms. — М.: «Вильямс», 2006. — С. 169-172. — ISBN 5-8459-0987-2.
• Кормен, Т., Лейзерсон, Ч., Ривест, Р., Штайн, К. Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms / Под ред. И. В. Красикова. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2005. — 1296 с. — ISBN 5-8459-0857-4.

Ссылки

• Многофазное слияние на algolist.manual.ru
• Сортировка слиянием — восходящая сортировка, естественная сортировка, измерение быстродействия.