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C++怎么实现归并排序_C++分治算法教程【稳定】

裘德小鎮的故事

裘德小鎮的故事

发布时间:2026-02-24 15:22:02

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来源于php中文网

原创

标准库std::merge要求输入区间已排序且目标空间足够;手写时应统一用左闭右开区间[l, mid)和[mid, r),三路指针推进,耗尽段用std::copy补全,递归出口设为l>=r,预分配临时缓冲区避免重复分配。

c++怎么实现归并排序_c++分治算法教程【稳定】

merge 函数怎么写才不越界

标准库 std::merge 要求两个输入区间已排序,且目标空间足够大;手写时最容易在边界判断上出错——比如把 mid 算成开区间却用闭区间逻辑拷贝,或漏判某一段已耗尽。实际写 merge 辅助函数时,建议统一用左闭右开:[l, mid)[mid, r),这样和 std::sort 保持一致,也避免 +1/-1 混用。

常见错误现象:std::bad_alloc(目标缓冲区不够)、segmentation fault(索引越 arr[i]i 超出原始数组长度)。

  • 用临时 vector 存合并结果,别直接往原数组里写——除非你确认写入位置不会覆盖未读数据
  • 三路指针:左段游标 i、右段游标 j、目标位置 k,每次只推进被选中的那个
  • 任一段耗尽后,用 std::copy 补全另一段,别手写循环——容易漏掉 ++i 或写错终止条件

递归分治的边界条件怎么设

归并排序的递归出口不是「长度为 1」,而是「长度 ≤ 1」。写成 if (l >= r) 最稳妥,对应左闭右开区间;若用左闭右闭([l, r]),出口就得是 if (l >= r)if (l == r),但后者会漏掉空区间,引发未定义行为。

使用场景:当数组为空(size() == 0)或单元素时,必须立刻返回,否则递归栈溢出或访问 arr[l] 崩溃。

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  • 推荐统一用左闭右开:调用入口是 merge_sort(arr, 0, arr.size())
  • mid = l + (r - l) / 2,不用 (l + r) / 2——防整数溢出(尤其 size_t 大数组)
  • 递归调用写成 merge_sort(arr, l, mid)merge_sort(arr, mid, r),严格对齐区间语义

原地归并能做到真 O(1) 额外空间吗

不能。教科书说「归并排序空间复杂度 O(n)」是对的——哪怕你试图复用原数组做中转,合并过程仍需一块大小为 r - l 的临时缓冲区。所谓“原地归并”算法(如 Block Sort)存在,但实现复杂、常数极大,C++ 标准库没提供,也不适合教学或一般工程场景。

性能影响:每层递归都分配 vectornew[] 临时内存,频繁堆分配会拖慢速度;更优做法是在顶层预分配一个和原数组等长的 temp,所有合并共用它。

  • 不要在每次 mergevector<int> temp(r - l)</int>——分配开销压倒算法本身
  • temp 作为参数传入递归函数,或封装进类成员,避免重复构造/析构
  • 若确定只排序 vector,直接用 vector 成员变量缓存,比裸指针 + new 更安全

STL 的 stable_sort 就是归并排序吗

不完全是。libstdc++(GCC)和 libc++(Clang)的 std::stable_sort 在多数情况下用混合策略:小数组(通常 ≤ 64 元素)走插入排序,大数组用归并,但底层可能引入优化如“底向上归并”或“内省式切换”。它稳定、高效,但不保证一定是传统递归归并。

兼容性影响:如果你依赖归并的「最坏 O(n log n)」或特定分段行为(比如调试分治过程),别直接用 stable_sort 替代手写;但若只要稳定排序结果,它比手写更可靠、更适应各种数据分布。

  • 调用 std::stable_sort(v.begin(), v.end()) 即可,无需自己实现
  • 它支持自定义比较器,和 sort 用法完全一致
  • 注意:它不保证是归并——某些旧版 MSVC 实现曾用平衡二叉树模拟稳定排序,虽已淘汰,但说明标准只要求接口行为,不约束算法

真正难的不是写对 merge,而是想清楚每次合并时「哪段数据还没读」「哪段已经写死」「临时空间从哪来又还给谁」——这几个状态一旦错位,bug 就藏得深,还随数据规模变化而时隐时现。

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