4878

Сортировка внешних данных. Сортировка прямым слиянием

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Сортировка внешних данных. Сортировка прямым слиянием. Сортировка слиянием основывается на том факте, что при наличии двух отсортированных последовательностей можно реализовать вычислительно эффективный способ их слияния в единую отсортированную пос...

Русский

2012-11-28

62 KB

22 чел.

Сортировка внешних данных. Сортировка прямым слиянием.

Сортировка слиянием основывается на том факте, что при наличии двух отсортированных последовательностей можно реализовать вычислительно эффективный способ их слияния в единую отсортированную последовательность. Поскольку последовательность из одного элемента можно считать уже отсортированной, суть сортировки слиянием можно обобщить так: исходная последовательность разбивается на одноэлементные «куски», а затем они постепенно сливаются.

Рассмотрим процедуру слияния двух отсортированных последовательностей A и B размера Na и Nb соответственно в новую последовательность C длины Na+Nb. Суть процедуры заключается в повторяющемся выборе элемента, наименьшего из двух имеющихся в началах исходных массивов, и переносе этого элемента в конец выходной последовательности:

/ Функция реализуеут слияние массивов A и B размеров

// sizeA и sizeB в выходной массив C

void merge( const double * A, int sizeA

         , const double * B, int sizeB

         , double * C

         )

{

  int a = 0, b = 0; // Индексы текущих элементов в массивах A и B

  while( a + b < sizeA + sizeB ) // пока остались элементы в массивах

  {

     if ( ( b >= sizeB ) || ( ( a < sizeA ) && ( A[a] <= B[b] ) ) )

     {

        // Копируем элемент из массива A

        C[ a + b ] = A[a];

        ++a;

     }

     else 

     {

        // Копируем элемент из массива B

        C[ a + b ] = B[b];

        ++b;

     }

  }

}

Таким образом, сортировку слиянием можно описать в виде алгоритма:

- разбиваем входной массив на пары и осуществляем слияние каждой пары, получая отсортированные блоки длины 2 (при нечетном количестве элементов для последнего элемента парного не будет). Заметим, что пару элементов легко отсортировать, просто обменяв их местами (при необходимости), не осуществляя «честное» слияние одиночных элементов;

- разбиваем имеющиеся отсортированные блоки на пары и выполняем слияние блоков в новые блоки большей длины;

- если число отсортированных блоков больше 1, переходим к предыдущему шагу.

// Функция сортирует массив A из size элементов

void mergeSort( double * A, int size )

{

   if ( size < 2 )

      return; // сортировать нечего

   if ( size == 2 ) // два элемента проще поменять местами,

   {                // чем делать слияние

       if( A[0] > A[1] )

       {

          double tmp = A[0];

          A[0] = A[1];

          A[1] = tmp;

       }

       return;

   }

   

   // Рекурсивно сортируем обе половины массива

   mergeSort( A         , size/2        );

   mergeSort( A + size/2, size - size/2 );

   double * B = new double[ size ]; // временный массив для слияния

   // Слияние половин

   merge( A, size/2

        , A + size/2, size - size/2

        , B);

   // Копируем результат слияния в исходный массив:

   for ( int i = 0; i < size; ++i )

      A[i] = B[i];

   delete[] B; // удаляем временный массив

}

Оценивая количество сравнений, необходимых для сортировки слиянием, нетрудно получить оценку сложности алгоритма в O( N * log N ) в худшем случае, что говорит о том что этот алгоритм очень эффективен, однако его существенным недостатком является необходимость выделения значительного количества дополнительной памяти.

Сортировка внешних данных.

Все рассматриваемые нами алгоритмы сортировок работали в предположении, что вся исходная последовательность целиком помещается в памяти компьютера, и мы можем без каких-либо существенных проблем обращаться к произвольным её элементам по индексу. Кроме того, рассмотренные алгоритмы имеют дело с упорядочиванием ключей, при этом подразумевается, что эти ключи могут быть связаны с некоторыми крупными блоками данных – записями. Во многих случаях длина такой записи существенно превосходит размер ключа, что может приводить к большим издержкам при обмене записей местами, в этом случае оценка эффективности алгоритма должна обязательно учитывать не только число сравнений, но и число обменов.

Иногда все данные можно разместить в виртуальной памяти (физически размещенной на дисках), однако, расходы на осуществление операций обмена между оперативной памятью и дисками могут быть существенными. Поскольку реализация этих операций осуществляется операционной системой, зачастую нет возможностей повлиять на их эффективность. В результате, непосредственное использование всех рассмотренных алгоритмов сортировки на больших объемах данных оказывается непрактичным.

В подобных случаях применим другой подход. Допустим, во внешнем файле имеется последовательность из M элементов, которую необходимо отсортировать. Будем считать, что в оперативной памяти можно выделить место для хранения массива из N элементов, причем N много меньше M. Кроме того, будем считать, что в нашем распоряжении есть 4 «временных» файла A, B, C, D.

 На первом шаге прочитаем N записей из исходного файла в оперативную память и отсортируем их с помощью любой подходящей «внутренней» сортировки. Этот набор из N отсортированных записей перепишем во временный файл A. Затем прочитаем следующие N записей из исходного файла, отсортируем и поместим в файл B. Этот процесс продолжается, пока не кончатся элементы в исходном файле, причем отсортированные блоки по N элементов будем записывать поочередно в файлы A и B:

 

псевдокод

CreateBlocks (N)

{

  // N - размер создаваемых блоков

  currentFile = A

  while ( не достигнут конец входного файла )

  {

     read N записей из входного файла

     sort N записей

     if ( currentFile == A )

        currentFile = B

     else

        currentFile = A

     write N записей в currentFile

  }

}

 Теперь у нас есть 2 файла A и В, содержащие отсортированные блоки по N элементов, однако о порядке элементов в любых двух различных блоках сказать ничего нельзя. Далее начинаем с чтения первых половинок первых двух блоков в файлах A и B, по N/2 элементов из каждого, так, чтобы всего в памяти оказалось не более N элементов. Теперь применим процедуру слияния к считанным половинкам блоков в файл C. Когда обработка одного из блоков будет завершена, конец второго блока перепишем в файл C. После того, как слияние первых двух отрезков из файлов A и B будет завершено, следующие два отрезка сливаются в файл D. Далее процесс слияния продолжается с попеременной записью слитых отрезков в файлы C и D. В конце этого шага получим два файла, разбитые на отсортированные блоки длины 2N. Затем процесс повторяется, причем блоки читаются из файлов C и D, а слитые блоки (длины 4N) записываются поочередно в файлы A и B. Ясно, что в конце концов отрезки сольются в одну отсортированную последовательность в одном из файлов. Всего указанная процедура потребует log2( M / N ) проходов процесса слияния. Схема алгоритма слияния приведена ниже:

псевдокод

Merge (N)

{

  // N - размер исходных блоков

  size = S

  in1 = A

  in2 = B

  currentOut = C

  while ( не конец )

  {

     while ( блоки не кончились )

     {

        слить блок длины size из файла in1

           с блоком длины size из файла in2

           записав результат в файл currentOut

        if      ( currentOut == A )

           currentOut = B

        else if ( currentOut == B )

           currentOut = A

        else if ( currentOut == C )

           currentOut = D

        else if ( currentOut == D )

           currentOut = C

     }

     size = size * 2

     if ( in1 == A )

     {

        in1 = C

        in2 = D

        currentOut = A

     }

     else

     {

        in1 = A

        in2 = B

        currentOut = C

     }

  }

}


2

5

7

10

2

1

3

3

5

7

1

2

3

3

5

5

7

7

10

12

A

B

C


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69254. Загальні питання трудової підготовки учнів 82 KB
  Предмет і завдання курсу. Процес трудової підготовки та його складові частини. Методи наукових досліджень. Перспективний педагогічний досвід організації трудової підготовки учнів. Аналіз навчальної і науково-методичної літератури з трудової і професійної підготовки.
69255. Історико-педагогічний огляд розвитку проблеми трудової підготовки учнів 201 KB
  Історія розвитку трудового і професійного навчання. Етапи становлення трудової і професійної підготовки в загальноосвітній і професійній школі за роки радянської влади. Трудова підготовка учнів у сучасній загальноосвітній школі та шляхи її реформування.
69256. Політехнічні основи трудової підготовки 259.5 KB
  Але якщо порівняти зміст шкільної програми 1954 року коли трудове навчання було відновлено у школі із змістом діючої програми то легко прийти до висновку що ставить великі зміни. Причому вони відбувалися поступово протягом усього періоду і вимагали від вчителя трудового навчання...
69257. Сучасний учитель трудового навчання 73.5 KB
  Національна школа і проблема модернізації підготовки вчителя трудового навчання. Основні вимоги що ставляться до сучасного вчителя трудового навчання. Особливості педагогічної діяльності вчителя трудового навчання. Організація методичної роботи вчителів трудового навчання та їх атестація.
69258. Методика формування в учнів поняття про техніку 136 KB
  Наступність у вивченні техніки у 59 класах. Формування в учнів поняття про типові і спеціальні деталі види та призначення типових деталей машин: опори осі вали підшипники зубчасті колеса кріпильні деталі; їх умовні позначення; види з’єднань деталей: рухомі і нерухомі рознімні і нерознімні.
69259. Методика навчання учнів основним видам технологічних процесів 123.5 KB
  Ознайомлення учнів із знаряддями праці для ручної обробки матеріалів різанням способами отримання виробів заданої форми і розмірів. Методика удосконалення в учнів прийомів вимірювання лінійкою кутником складним метром; формування вмінь виконувати розмічання за допомогою шаблонів та інструментів.
69260. Методика навчання електротехнічних робіт і елементів автоматики 203.5 KB
  Методика формування в учнів шостого класу поняття про квартирну освітлювальну мережу. Методика ознайомлення учнів з побутовими електронагрівальними приладами. Методика ознайомлення учнів з будовою принципом дії та призначенням колекторного електродвигуна.
69261. Методика навчання учнів складанню та оздобленню виробів 179.5 KB
  Методика навчання учнів п’ятого класу прийомів з'єднання деталей за допомогою цвяхів, клею ПВА, зачищенню з’єднань та остаточної обробка виробів з фанери. Методика ознайомлення учнів шостого класу з прийомами та способами з’єднання деталей з тонколистового металу...
69262. Методика навчання моделювання. Екологічний аспект обґрунтування об’єкта проектування 294 KB
  Таким чином вирішальне значення має не об’єкт роботи а ті завдання які учні розв’язують у процесі його виготовлення. Отже під технічним моделюванням у школі слід розуміти діяльність учнів пов’язану з виготовленням різних виробів у тому числі моделей якщо при цьому виконуються такі основні умови...