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Java 中实现子数组归并排序的正确边界处理方法

碧海醫心

碧海醫心

发布时间:2026-02-15 20:54:14

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来源于php中文网

原创

Java 中实现子数组归并排序的正确边界处理方法

本文详解归并排序在对任意起始位置的子数组(非从索引 0 开始)进行排序时,因边界定义不一致导致 ArrayIndexOutOfBoundsException 的根本原因,并提供符合 Java 惯用法的修正方案。

本文详解归并排序在对任意起始位置的子数组(非从索引 0 开始)进行排序时,因边界定义不一致导致 `arrayindexoutofboundsexception` 的根本原因,并提供符合 java 惯用法的修正方案。

归并排序是一种经典的分治算法,其正确性高度依赖于区间边界的精确定义。原始代码中采用的 [low, high](闭区间)约定看似直观,但在实际调用中极易引发越界——尤其是当 low > 0 时。问题核心在于:temp 数组的索引空间未与 arr 的逻辑子区间对齐

观察原 merge 方法:

for (int i = low; i <= high; i++) {
    temp[i] = arr[i]; // ⚠️ 危险!temp[i] 可能越界
}

此处假设 temp 数组长度 ≥ arr.length,且所有 i ∈ [low, high] 都是 temp 的合法索引。但若 temp 仅按 arr.length 分配(如 new int[arr.length]),而 high 接近 arr.length - 1,则 temp[i] 访问尚属安全;真正隐患在于递归调用中 mid + 1 可能超出 temp 容量上限,尤其当 low 偏大、high 接近数组末尾时,temp[high] 的访问可能越界。

更深层的问题是语义混淆:high 作为“最后一个元素索引”(inclusive)与 Java 标准库(如 Arrays.sort(arr, fromIndex, toIndex))及多数现代算法教材采用的 [low, high) 半开区间约定(exclusive high)不一致。后者天然支持空区间(low == high)、避免 -1 边界计算,且逻辑更清晰。

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✅ 推荐解决方案:统一采用 [low, high) 半开区间约定

  • 调用入口:mergeSort(arr, temp, 0, arr.length)
  • 递归终止条件:if (high - low
  • mid 计算:low + (high - low) / 2(无溢出风险)
  • 合并时所有循环条件使用

修正后的完整实现如下:

public static void mergeSort(int[] arr, int[] temp, int low, int high) {
    if (high - low <= 1) return; // 空或单元素,无需排序

    int mid = low + (high - low) / 2;
    mergeSort(arr, temp, low, mid);     // 左半:[low, mid)
    mergeSort(arr, temp, mid, high);    // 右半:[mid, high)
    merge(arr, temp, low, mid, high);   // 合并 [low, mid) 和 [mid, high)
}

public static void merge(int[] arr, int[] temp, int low, int mid, int high) {
    // 复制 [low, high) 范围到 temp
    for (int i = low; i < high; i++) {
        temp[i] = arr[i];
    }

    int i = low,      // 左段起点
        j = mid,      // 右段起点
        k = low;      // 合并目标位置

    // 合并两个有序段 [low, mid) 和 [mid, high)
    while (i < mid && j < high) {
        if (temp[i] <= temp[j]) {
            arr[k++] = temp[i++];
        } else {
            arr[k++] = temp[j++];
        }
    }

    // 复制剩余左段
    while (i < mid) {
        arr[k++] = temp[i++];
    }
    // 注意:右段剩余无需复制(已在 arr 中原位)
}

? 关键注意事项:

  • temp 数组必须与 arr 等长:int[] temp = new int[arr.length]; —— 不可按子数组长度分配,因合并过程需随机访问 temp[low..high) 全范围;
  • 调用示例(排序子数组 arr[2..7),即索引 2~6)
    int[] arr = {5, 2, 9, 1, 7, 3, 8, 4};
    int[] temp = new int[arr.length];
    mergeSort(arr, temp, 2, 7); // ✅ 正确:排序索引 2,3,4,5,6 共 5 个元素
  • 避免常见错误:勿将 high 误传为 length - 1(这是闭区间思维残留);始终传 length 或目标结束索引(exclusive);
  • 扩展性提示:该实现天然支持任意连续子数组排序,且与 Arrays.sort() 参数风格一致,便于集成和维护。

通过统一采用 [low, high) 区间模型,不仅消除了越界风险,更提升了代码的可读性、鲁棒性与工程一致性。这是 Java 归并排序子数组实现的推荐实践。

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