c++ STLSGI STL版本sort函数的实现

Posted 2022-12-10 傅耳耳

0、博客来由

刷单链表排序题时，使用自己写的quick_sort函数会运行超时，但调用STL的sort函数则通过，于是想一探究竟，STL的sort函数是如何实现的

1、STL sort函数简介

2、插入排序 Insertion Sort

2.3 代码

template <typename RandomAccessIterator, typename T>
inline void __linear_insert(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, T*)
    //将last插入到[first,last-1]中
    T value = *last;
    if(value < *first)
        //比第一个元素还要小
        copy_backward(first, last, last + 1);
        //整个区间向后移动一个位置
        *first = value;
    
    else
        __unguarded_linear_insert(last, value);


template <typename RandomAccessIterator, typename T>
void __unguarded_linear_insert(RandomAccessIterator last, T value)
    //value插入到last之前的有序序列中
    RandomAccessIterator next = last;
    --next;//从last-1开始比较
    while(value < *next)
        //将该值移动到后面
        //last = next + 1;
        *last = *next;
        last = next;
        --next;
    
    //跳出位置的last即为value的位置
    *last = value;

【代码图解】

3、快速排序 Quick Sort

【Median-of-three三点中值代码】

template <typename T>
inline const T& __median(const T& a, const T& b, const T& c)
    if(a < b)
        if(b < c)
            return b;//a < b < c
        else if(a < c)
            return c;//a < c < b
        else
            return a;//c < a < b
    else if(a < c)
        return a;//b <= a < c
    else if(b < c)
        return c;//b < c <= a
    else
        return b;//c <= b <= a

template <typename RandomAccessIterator, typename T>
RandomAccessIterator __unguarded_partition(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, T pivot)
    //pivot为基准
    //对[first,last)进行分割
    while(true)
        while(*first < pivot) ++ first;
        --last;
        while(pivot < *last) -- last;
        if(!(first < last)) return first;//交错，结束循环
        iter_swap(first, last);//两者交换
        ++first;//调整
    

4、SGI STL版本的sort实现

4.1 内省式排序 IntroSort

4.2 sort算法实现

4.2.1 sort函数（母函数）

template <typename RandomAccessIterator>
inline void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last)
    if(first != last)
        __introsort_loop(first, last, value_type(first), __lg(last-first)*2);
        //__lg()用来控制分割恶化的情况
        __final_insertion_sort(first, last);
    


//_lg()函数实现：
//快排平均情况下分割次数为logn，递归次数logn * 2（每次递归两部分，一共分割logn次）
//__lg()求logn，即n除以几次2变为1
template <typename Size>
inline Size __lg(Size n)
    Size k;
    for(k = 0; n > 1; n >>= 1) ++k;
    return k;

4.2.2 __introsort_loop()函数

__stl_threshold为全局常数

const int __stl_threshold = 16;

//introsort_loop函数是对快排的改进
template <typename RandomAccessIterator, typename T, typename Size>
void __introsort_loop(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, T*, Size depth_limit)
    //__stl_threshold时全局常数
    while(last - first > __stl_threshold)
        //序列大小 > 阈值
        if(depth_limit == 0)
            //递归层数超出设置
            partial_sort(first, last, last);//改用堆排序
            return ;
        
        --depth_limit;
        //使用三点中值快速排序
        //找三点中值cut
        RandomAccessIterator cut = __unguarded_partition(first, last, T(__median(*first, *(first+(last-first)/2), *(last-1))));
        //对右半段递归
        __introsort_loop(cut, last, value_type(first), depth_limit);
        last = cut;
        //回到while循坏，开始左半段的递归
    

4.2.3 插入排序的实现部分

template <typename RandomAccessIterator>
void __final_insertion_sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last)
    if(last - first > __stl_threshold)
        // > 16
        __insertion_sort(first, first + __stl_threshold);
        __unguarded_insertion_sort(first + __stl_threshold, last);
        //超过16的子段分割为 16 + 剩余
    
    else
        __insertion_sort(first, last);


template <typename RandomAccessIterator>
inline void __unguarded_insertion_sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last)
    __unguarded_insertion_sort_aux(first, last, value_type(first));


template <typename RandomAccessIterator, typename T>
void __unguarded_insertion_sort_aux(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, T*)
		//将每个元素逐个从末尾开始插入
    for(RandomAccessIterator i = first; i != last; ++ i)
        __unguarded_linear_insert(i, T(*i));


//插入单个元素
template <typename RandomAccessIterator, typename T>
void __unguarded_linear_insert(RandomAccessIterator last, T value)
    //value插入到last之前的有序序列中
    RandomAccessIterator next = last;
    --next;//从last-1开始比较
    while(value < *next)
        //将该值移动到后面
        //last = next + 1;
        *last = *next;
        last = next;
        --next;
    
    //跳出位置的last即为value的位置
    *last = value;

参考：《STL源码剖析》by 侯捷

5、总结

• 必须是具有随机存取迭代器的容器才可以使用sort排序
• 大数据量采用三点中值快排，小数据量采用插入快排
• 快排分割恶化（递归层数过多）时，采用堆排序

个人认为，sort算法就是一种组合创新，将多种策略的优点融合到一起，取长补短yyds