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Julia中的合并排序實作

2022-01-13 12:53:17 後端開發

我正在嘗試在 Julia 中實作合并排序演算法,但我似乎無法理解該演算法所需的遞回步驟。我的代碼如下:

m? = [1, 10, 7, 4, 3, 6, 8, 2, 9]

b?(t, z, half?, half?)= ((t<=length(half?)) && (z<=length(half?))) && (half?[t]<half?[z])
b?(t, z, half?, half?)= ((z<=length(half?)) && (t<=length(half?)) ) && (half?[t]>half?[z])

function Merge(m?, m?)
    N = length(m?)   length(m?)
    B = zeros(N)

    i = 1
    j = 1

    for k in 1:N
        if b?(i, j, m?, m?)
            B[k] =  m?[i]
            i  = 1 
        elseif b?(i, j, m?, m?)
            B[k] =  m?[j]
            j  = 1
        elseif j >= length(m?)
            B[k] =  m?[i]
            i  = 1 
        elseif i >= length(m?)
            B[k] = m?[j]
            j  = 1
        end
    end

    return B
end


function MergeSort(M)
    if length(M) == 1
        return M
    elseif length(M) == 0
        return nothing
    end
    
    n = length(M)
    i? = n ÷ 2
    i? = n - i? 
    h? = M[1:i?]
    h? = M[i?:end]

    C = MergeSort(h?)
    D = MergeSort(h?)

    return Merge(C, D)
end

MergeSort(m?)

當 C 成為單個元素時,它總是會卡住,因為它會回傳它然后再次拆分它,唯一的解決方案是一旦它成為單個元素就讓它成為一個回圈。但是,這不是遞回方法。

解決方案

接受@Sundar R 的回答和建議。這是一個有效的實作

#implementation of MergeSort in julia

# merge function, it joins two ordered arrays and returning one single ordered array

function merge(m?, m?)
    N = length(m?)   length(m?)

    # create a zeros array of the same input type (int64)
    B = zeros(eltype(m?), N)

    i = 1
    j = 1

    for k in 1:N
    
        if !checkbounds(Bool, m?, i)
            B[k] = m?[j]
            j  = 1
        elseif !checkbounds(Bool, m?, j)
            B[k] =  m?[i]
            i  = 1 
        elseif m?[i]<m?[j]
            B[k] =  m?[i]
            i  = 1 
        else
            B[k] =  m?[j]
            j  = 1
                
        end
    end

    return B
end

# merge mergesort, this function recursively orders m/2 sub array given an array M

function mergeSort(M)

    # base cases
    if length(M) == 1

        return M

    elseif length(M) == 0

        return nothing
        
    end

    # dividing array in two
    n = length(M)

    i? = n ÷ 2
        
    # be careful with the indexes, thank you @Sundar R
    i? = i?   1 
    
    h? = M[1:i?]

    h? = M[i?:end]

    # recursively sorting the array 

    C = mergeSort(h?)

    D = mergeSort(h?)

    return merge(C, D)
    
end

#test the function

m? = [1, 10, 7, 4, 3, 6, 8, 2, 9]
b =  mergeSort(m?)

println(b)

uj5u.com熱心網友回復:

問題在于用于拆分的索引,特別是i?. n - i?陣列后半部分中的元素數,但不一定是后半部分開始的索引 - 因為你只是想要 i? = i? 1

i? = n - i?,當n為2即當你回落到[1, 10]作為陣列進行排序,i? = n ÷ 2是1,并且i?是(2 - 1)= 1也。因此,您最終不是將其拆分為[1], [10]而是將其“拆分”為[1], 和[1, 10],因此是無限回圈。

一旦你解決了這個問題,由于一個小錯誤,會有一個BoundsErrorfrom Mergeelseif條件應該檢查>,而不是>=(因為 Julia 使用基于 1 的索引,j當 時仍然是有效索引j == length(m?))。

其他一些建議:

  1. zeros(N)回傳一個Float64陣列,所以這里的結果總是一個浮點陣列。我建議zeros(eltype(m?), N)改為。
  2. 感覺就像b?并且b?只會使代碼復雜化并使其不太清晰,我建議在其中嵌套一個簡單的嵌套if,一個外部的用于檢查索引 -checkbounds例如查找checkbounds(Bool, m?, i)- 和一個內在的,看看哪個更大。
  3. Julia 約定是對函式使用小寫字母,所以用mergeandmergesort代替MergeandMergeSort

uj5u.com熱心網友回復:

為了補充前面的答案,這些答案處理了現有代碼中的一些問題,這里是一個相對有效和直接的 Julia 實作供參考mergesort

# Top-level function will allocate temporary arrays for convenience
function mergesort(A)
    S = similar(A)
    return mergesort!(copy(A), S)
end

# Efficient in-place version
# S is a temporary working (scratch) array
function mergesort!(A, S, n=length(A))
    width = 1
    swapcount = 0
    while width < n
        # A is currently full of sorted runs of length `width` (starting with width=1)
        for i = 1:2*width:n
            # Merge two sorted lists, left and right:
            # left = A[i:i width-1], right = A[i width:i 2*width-1]
            merge!(A, i, min(i width, n 1), min(i 2*width, n 1), S)
        end
        # Swap the pointers of `A` and `S` such that `A` now contains merged
        # runs of length 2*width.
        S,A = A,S
        swapcount  = 1

        # Double the width and continue
        width *= 2
    end
    # Optional, if it is important that `A` be sorted in-place:
    if isodd(swapcount)
        # If we've swapped A and S an odd number of times, copy `A` back to `S`
        # since `S` will by now refer to the memory initially provided as input
        # array `A`, which the user will expect to have been sorted in-place
        copyto!(S,A)
    end
    return A
end

# Merge two sorted subarrays, left and right:
# left = A[i?:i?-1], right = A[i?:i?-1]
@inline function merge!(A, i?, i?, i?, S)
    left, right = i?, i?
    @inbounds for n = i?:(i?-1)
        if (left < i?) && (right >= i? || A[left] <= A[right])
            S[n] = A[left]
            left  = 1
        else
            S[n] = A[right]
            right  = 1
        end
    end
end

這足以讓我們與Base' 實作相同的演算法在同一個球場

julia> using BenchmarkTools

julia> @benchmark mergesort!(A,B) setup = (A = rand(50); B = similar(A))
BenchmarkTools.Trial: 10000 samples with 194 evaluations.
 Range (minmax):  497.062 ns …  1.294 μs  ┊ GC (minmax): 0.00% … 0.00%
 Time  (median):     501.438 ns              ┊ GC (median):    0.00%
 Time  (mean ± σ):   526.171 ns ± 49.011 ns  ┊ GC (mean ± σ):  0.00% ± 0.00%

  █▅ ▁     ▁ ▃▇▄                        ▁                      ▂
  █████▇▇▆▇█▇████▇▅▆▅▅▅▆█▆██▄▅▅▄▆██▆▆▄▄▆██▅▃▄██▄▅▅▃▃▃▃▄▅▁▄▄▃▁█ █
  497 ns        Histogram: log(frequency) by time       718 ns <

 Memory estimate: 0 bytes, allocs estimate: 0.

julia> issorted(mergesort(rand(50)))
true

julia> issorted(mergesort(rand(10_000)))
true

julia> @benchmark Base.sort!(A, alg=MergeSort) setup=(A = rand(50))
BenchmarkTools.Trial: 10000 samples with 216 evaluations.
 Range (minmax):  344.690 ns …  11.294 μs  ┊ GC (minmax): 0.00% … 95.73%
 Time  (median):     352.917 ns               ┊ GC (median):    0.00%
 Time  (mean ± σ):   401.700 ns ± 378.399 ns  ┊ GC (mean ± σ):  3.57% ±  3.76%

  █▇▄▄▄▂▁▂▁▂▃▁▁    ▃▂  ▁                            ▁▁          ▁
  ████████████████▇██████▆▆▆▅▆▆▆▆▅▃▅▅▄▅▃▅▅▄▆▅▄▅▄▅▃▄▄██▇▅▆▆▇▆▄▅▅ █
  345 ns        Histogram: log(frequency) by time        741 ns <

 Memory estimate: 336 bytes, allocs estimate: 3.

盡管在大多數數值情況下,兩者在時間和記憶體方面的成本(后者由于需要作業陣列)都比類似有效的純 Julia 實作要多quicksort!

julia> @benchmark VectorizedStatistics.quicksort!(A) setup = (A = rand(50))
BenchmarkTools.Trial: 10000 samples with 993 evaluations.
 Range (minmax):  28.854 ns … 175.821 ns  ┊ GC (minmax): 0.00% … 0.00%
 Time  (median):     35.268 ns               ┊ GC (median):    0.00%
 Time  (mean ± σ):   38.703 ns ±   7.478 ns  ┊ GC (mean ± σ):  0.00% ± 0.00%

  ▂       ▃█▁ ▃▃   ▃▆▂  ▂   ▃  ▂        ▁                    ▂ ▂
  █▆▃▅▁▁▄▅███▆███▆▆███▁▇█▇▅▇█▆▇█▁▆▅▃▅▄▄██▅▆▅▇▅▄▃▁▄▃▁▄▁▃▃▃▁▄▄▇█ █
  28.9 ns       Histogram: log(frequency) by time      68.7 ns <

 Memory estimate: 0 bytes, allocs estimate: 0.

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