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C++ 怎么实现堆排序 C++ make_heap与sort_heap教程【堆】

尼克

尼克

发布时间:2026-01-30 13:04:54

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来源于php中文网

原创

make_heap 和 sort_heap 是 C++ 标准库中用于原地构建和排序最大堆的函数,必须按 make_heap→sort_heap 顺序调用;单独使用 sort_heap 会导致未定义行为。

c++ 怎么实现堆排序 c++ make_heap与sort_heap教程【堆】

make_heap 和 sort_heap 是什么,能不能直接拿来排序

make_heapsort_heap 是 C++ 标准库 中提供的堆操作函数,不是“排序函数”,而是**原地维护最大堆结构的工具**。它们本身不直接等价于堆排序全过程,但组合使用就是标准堆排序的底层实现方式。

常见误解是调用一次 sort_heap 就能排好序 —— 实际上它**只对已满足堆性质的序列有效**。如果数组没建堆,直接 sort_heap 会得到错误结果(比如乱序、重复元素、甚至未定义行为)。

正确流程必须是:make_heapsort_heap,中间不能插入其他修改操作。

怎么用 make_heap 建堆,要注意哪些坑

make_heap 默认构建的是**最大堆**(根节点最大),时间复杂度 O(n),比逐个 push_heap 更高效。

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  • 必须传入随机访问迭代器,比如 vector 或原生数组指针
  • 默认按 operator 比较,若要最小堆,得显式传 greater()
  • 建堆后,容器逻辑顺序 ≠ 排序顺序 —— 此时只是满足堆性质,首元素最大,其余无序
  • 建堆不改变容器大小,也不分配新内存,纯原地重排

示例:

vector v = {3, 1, 4, 1, 5};
make_heap(v.begin(), v.end()); // → v 变成 {5, 3, 4, 1, 1}(一种合法最大堆结构)

sort_heap 为什么必须在 make_heap 之后调用

sort_heap 的作用是:**把一个合法的最大堆,原地排序为升序序列**(从小到大)。它反复执行“取走根(最大值),放末尾;剩余部分重新下滤”,本质就是堆排序的第二阶段。

如果输入不是堆,sort_heap 的下滤逻辑会崩溃或产生任意结果 —— 它不校验输入,也不尝试修复。

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关键点:

  • sort_heap 不改变容器 size,但会重排全部元素
  • 它要求区间是“有效最大堆”,否则行为未定义
  • 调用后,原堆结构被破坏,得到升序排列(注意:不是降序)
  • 不能对 const 容器或只读区间调用

接上例:

make_heap(v.begin(), v.end());
sort_heap(v.begin(), v.end()); // → v 变成 {1, 1, 3, 4, 5}

自己写堆排序时,还该不该用 make_heap/sort_heap

如果你在面试或算法课里被要求“手写堆排序”,那应该手动实现 sift_down 和建堆逻辑 —— 否则等于没考你对堆的理解。

但在工程代码中,优先用 make_heap + sort_heap,因为:

  • 经过充分测试,边界安全(比如空容器、单元素、重复值)
  • 编译器可能做优化(如 libc++ 的 block-wise 下滤)
  • 避免手误写错父子索引(2*i+1 vs 2*i+2)或越界检查

不过要注意:这两个函数操作的是**左闭右开区间**,和 sort 一致;且不支持自定义分配器或移动语义的显式控制 —— 如果你需要这些,就得自己封装。

真正容易被忽略的是:建堆和排序之间不能有插入/删除/修改操作,也不能跨线程并发访问同一容器 —— 它们不是线程安全的。

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