| 堆排序算法的演示。首先，将元素进行重排，以匹配堆的条件。图中排序过程之前简单的绘出了堆树的结构。 | |
| 分类 | 排序算法 |
|---|---|
| 数据结构 | 数组 |
| 最差时间复杂度 | {displaystyle O(nlog n)} |
| 最优时间复杂度 | {displaystyle O(nlog n)}[1] |
| 平均时间复杂度 | {displaystyle Theta (nlog n)} |
| 最差空间复杂度 | {displaystyle O(n)} total, {displaystyle O(1)} auxiliary |
1. 不得不说说二叉树
要了解堆首先得了解一下二叉树，在计算机科学中，二叉树是每个节点最多有两个子树的树结构。通常子树被称作“左子树”（left subtree）和“右子树”（right subtree）。二叉树常被用于实现二叉查找树和二叉堆。
二叉树的每个结点至多只有二棵子树（不存在度大于 2 的结点），二叉树的子树有左右之分，次序不能颠倒。二叉树的第 i 层至多有 2i - 1 个结点；深度为 k 的二叉树至多有 2k - 1 个结点；对任何一棵二叉树 T，如果其终端结点数为 n0，度为 2 的结点数为 n2，则n0 = n2 + 1。
树和二叉树的三个主要差别：
- 树的结点个数至少为 1，而二叉树的结点个数可以为 0
- 树中结点的最大度数没有限制，而二叉树结点的最大度数为 2
- 树的结点无左、右之分，而二叉树的结点有左、右之分
二叉树又分为完全二叉树（complete binary tree）和满二叉树（full binary tree）
满二叉树：一棵深度为 k，且有 2k - 1 个节点称之为满二叉树
深度为 3 的满二叉树 full binary tree
完全二叉树：深度为 k，有 n 个节点的二叉树，当且仅当其每一个节点都与深度为 k 的满二叉树中序号为 1 至 n 的节点对应时，称之为完全二叉树
深度为 3 的完全二叉树 complete binary tree
2. 什么是堆？
堆（二叉堆）可以视为一棵完全的二叉树，完全二叉树的一个“优秀”的性质是，除了最底层之外，每一层都是满的，这使得堆可以利用数组来表示（普通的一般的二叉树通常用链表作为基本容器表示），每一个结点对应数组中的一个元素。
如下图，是一个堆和数组的相互关系
堆和数组的相互关系
对于给定的某个结点的下标 i，可以很容易的计算出这个结点的父结点、孩子结点的下标：
- Parent(i) = floor(i/2)，i 的父节点下标
- Left(i) = 2i，i 的左子节点下标
- Right(i) = 2i + 1，i 的右子节点下标
二叉堆一般分为两种：最大堆和最小堆。
最大堆：
- 最大堆中的最大元素值出现在根结点（堆顶）
- 堆中每个父节点的元素值都大于等于其孩子结点（如果存在）
最大堆
最小堆：
- 最小堆中的最小元素值出现在根结点（堆顶）
- 堆中每个父节点的元素值都小于等于其孩子结点（如果存在）
最小堆
3. 堆排序原理
堆排序就是把最大堆堆顶的最大数取出，将剩余的堆继续调整为最大堆，再次将堆顶的最大数取出，这个过程持续到剩余数只有一个时结束。在堆中定义以下几种操作：
- 最大堆调整（Max-Heapify）：将堆的末端子节点作调整，使得子节点永远小于父节点
- 创建最大堆（Build-Max-Heap）：将堆所有数据重新排序，使其成为最大堆
- 堆排序（Heap-Sort）：移除位在第一个数据的根节点，并做最大堆调整的递归运算
继续进行下面的讨论前，需要注意的一个问题是：数组都是 Zero-Based，这就意味着我们的堆数据结构模型要发生改变
Zero-Based
相应的，几个计算公式也要作出相应调整：
- Parent(i) = floor((i-1)/2)，i 的父节点下标
- Left(i) = 2i + 1，i 的左子节点下标
- Right(i) = 2(i + 1)，i 的右子节点下标
最大堆调整（MAX‐HEAPIFY）的作用是保持最大堆的性质，是创建最大堆的核心子程序，作用过程如图所示：
Max-Heapify
由于一次调整后，堆仍然违反堆性质，所以需要递归的测试，使得整个堆都满足堆性质，用 JavaScript 可以表示如下：
/** * 从 index 开始检查并保持最大堆性质 * * @array * * @index 检查的起始下标 * * @heapSize 堆大小 * **/ function maxHeapify(array, index, heapSize) { var iMax = index, iLeft = 2 * index + 1, iRight = 2 * (index + 1); if (iLeft < heapSize && array[index] < array[iLeft]) { iMax = iLeft; } if (iRight < heapSize && array[iMax] < array[iRight]) { iMax = iRight; } if (iMax != index) { swap(array, iMax, index); maxHeapify(array, iMax, heapSize); // 递归调整 } } function swap(array, i, j) { var temp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = temp; }
/**通常来说，递归主要用在分治法中，而这里并不需要分治。而且递归调用需要压栈/清栈，和迭代相比，性能上有略微的劣势。当然，按照20/80法则，这是可以忽略的。但是如果你觉得用递归会让自己心里过不去的话，也可以用迭代，比如下面这样：
* 从 index 开始检查并保持最大堆性质 * * @array * * @index 检查的起始下标 * * @heapSize 堆大小 * **/ function maxHeapify(array, index, heapSize) { var iMax, iLeft, iRight; while (true) { iMax = index; iLeft = 2 * index + 1; iRight = 2 * (index + 1); if (iLeft < heapSize && array[index] < array[iLeft]) { iMax = iLeft; } if (iRight < heapSize && array[iMax] < array[iRight]) { iMax = iRight; } if (iMax != index) { swap(array, iMax, index); index = iMax; } else { break; } } } function swap(array, i, j) { var temp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = temp; }
Build-Max-Heap创建最大堆（Build-Max-Heap）的作用是将一个数组改造成一个最大堆，接受数组和堆大小两个参数，Build-Max-Heap 将自下而上的调用 Max-Heapify 来改造数组，建立最大堆。因为 Max-Heapify 能够保证下标 i 的结点之后结点都满足最大堆的性质，所以自下而上的调用 Max-Heapify 能够在改造过程中保持这一性质。如果最大堆的数量元素是 n，那么 Build-Max-Heap 从 Parent(n) 开始，往上依次调用 Max-Heapify。流程如下：
用 JavaScript 描述如下：
function buildMaxHeap(array, heapSize) { var i, iParent = Math.floor((heapSize - 1) / 2); for (i = iParent; i >= 0; i--) { maxHeapify(array, i, heapSize); } }
Heap-Sort堆排序（Heap-Sort）是堆排序的接口算法，Heap-Sort先调用Build-Max-Heap将数组改造为最大堆，然后将堆顶和堆底元素交换，之后将底部上升，最后重新调用Max-Heapify保持最大堆性质。由于堆顶元素必然是堆中最大的元素，所以一次操作之后，堆中存在的最大元素被分离出堆，重复n-1次之后，数组排列完毕。整个流程如下：
用 JavaScript 描述如下：
function heapSort(array, heapSize) { buildMaxHeap(array, heapSize); for (int i = heapSize - 1; i > 0; i--) { swap(array, 0, i); maxHeapify(array, 0, i); } }
最后，把上面的整理为完整的 javascript 代码如下：JavaScript 语言实现
function heapSort(array) { function swap(array, i, j) { var temp = array[i]; array[i] = array[j]; array[j] = temp; } function maxHeapify(array, index, heapSize) { var iMax, iLeft, iRight; while (true) { iMax = index; iLeft = 2 * index + 1; iRight = 2 * (index + 1); if (iLeft < heapSize && array[index] < array[iLeft]) { iMax = iLeft; } if (iRight < heapSize && array[iMax] < array[iRight]) { iMax = iRight; } if (iMax != index) { swap(array, iMax, index); index = iMax; } else { break; } } } function buildMaxHeap(array) { var i, iParent = Math.floor(array.length / 2) - 1; for (i = iParent; i >= 0; i--) { maxHeapify(array, i, array.length); } } function sort(array) { buildMaxHeap(array); for (var i = array.length - 1; i > 0; i--) { swap(array, 0, i); maxHeapify(array, 0, i); } return array; } return sort(array); }