В своем вопросе вы упомянули, что у вас возникли проблемы с выбором опорной точки, которая не находится в начале списка, поскольку для этого потребуется пройти по списку. Если вы сделаете это правильно, вам нужно всего лишь дважды пройти весь список:
- один раз для нахождения середины и конца списка, чтобы выбрать хорошую опорную точку (например, с помощью правило медианы трех)
- один раз для фактической сортировки
В первом шаге нет необходимости, если вы не слишком заботитесь о выборе хорошей опорной точки и вам достаточно просто выбрать первый элемент списка в качестве опорной точки (что приводит к худшему случаю O(n^2) временная сложность, если данные уже отсортированы).
Если вы помните конец списка при первом его обходе, сохраняя указатель на конец, вам никогда не придется проходить его снова, чтобы найти конец. Кроме того, если вы используете стандартную схему разделов Lomuto (которую я не использую для причинам, изложенным ниже), то вы также должны поддерживать два указателя в списке, которые представляют индексы i
и j
стандартной схемы разделов Lomuto. Используя эти указатели, никогда не придется проходить список для доступа к одному элементу.
Кроме того, если вы поддерживаете указатель на середину и конец каждого раздела, то, когда вам позже потребуется отсортировать один из этих разделов, вам не придется снова проходить этот раздел, чтобы найти середину и конец.
Теперь я создал свою собственную реализацию алгоритма QuickSelect для связанных списков, которую я разместил ниже. .
Поскольку вы заявили, что связанный список является односвязным и не может быть обновлен до двусвязного списка, я не могу использовать ссылку Схема разделения Хора, так как повторение односвязного списка в обратном направлении очень затратно. Поэтому вместо этого я использую менее эффективную схему разделов Lomuto.
При использовании схемы разбиения Lomuto в качестве опорного обычно выбирается либо первый, либо последний элемент. Однако выбор любого из них имеет тот недостаток, что отсортированные данные приведут к тому, что алгоритм будет иметь наихудшую временную сложность O (n ^ 2). Этого можно избежать, выбрав опорную точку в соответствии с правилом медианы трех, который должен выбрать опорную точку из медианного значения первого элемента, среднего элемента и последнего элемента. Поэтому в своей реализации я использую это правило медианы трех.
Кроме того, схема секционирования Lomuto обычно создает две секции: одну для значений, меньших опорной точки, и одну для значений, превышающих опорную точку или равных ей. Однако это приведет к наихудшей временной сложности O (n ^ 2), если все значения идентичны. Поэтому в моей реализации я создаю три раздела: один для значений меньше опорного, один для значений больше опорного и один для значений, равных опорному.
Хотя эти меры не исключают полностью возможность наихудшего случая временной сложности O(n^2), они, по крайней мере, делают ее крайне маловероятной (если входные данные не предоставлены злоумышленником). Чтобы гарантировать временную сложность O(n), необходимо будет использовать более сложный алгоритм выбора опорной точки, такой как медиана медиан.
Одна существенная проблема, с которой я столкнулся, заключается в том, что для четного числа элементов медиана определяется как среднее арифметическое двух средних или медианных элементов. По этой причине я не могу просто написать функцию, аналогичную std::nth_element
, потому что если, например, общее количество элементов равно 14, то я буду искать 7-й и 8-й по величине элемент. Это означает, что мне пришлось бы вызывать такую функцию дважды, что было бы неэффективно. Поэтому вместо этого я написал функцию, которая может искать два медианных элемента одновременно. Хотя это делает код более сложным, потери производительности из-за дополнительной сложности кода должны быть минимальными по сравнению с преимуществом отсутствия необходимости вызывать одну и ту же функцию дважды.
Обратите внимание, что, хотя моя реализация отлично компилируется на компиляторе C++, я бы не назвал ее кодом учебника C++, потому что в вопросе говорится, что мне не разрешено использовать что-либо из стандартной библиотеки шаблонов C++. Поэтому мой код представляет собой скорее гибрид кода C и кода C++.
В следующем коде я использую только стандартную библиотеку шаблонов (в частности, функцию std::nth_element
а>) для тестирования моего алгоритма и проверки результатов. Я не использую ни одну из этих функций в моем реальном алгоритме.
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <cassert>
// The following two headers are only required for testing the algorithm and verifying
// the correctness of its results. They are not used in the algorithm itself.
#include <random>
#include <algorithm>
// The following setting can be changed to print extra debugging information
// possible settings:
// 0: no extra debugging information
// 1: print the state and length of all partitions in every loop iteraton
// 2: additionally print the contents of all partitions (if they are not too big)
#define PRINT_DEBUG_LEVEL 0
template <typename T>
struct Node
{
T data;
Node<T> *next;
};
// NOTE:
// The return type is not necessarily the same as the data type. The reason for this is
// that, for example, the data type "int" requires a "double" as a return type, so that
// the arithmetic mean of "3" and "6" returns "4.5".
// This function may require template specializations to handle overflow or wrapping.
template<typename T, typename U>
U arithmetic_mean( const T &first, const T &second )
{
return ( static_cast<U>(first) + static_cast<U>(second) ) / 2;
}
//the main loop of the function find_median can be in one of the following three states
enum LoopState
{
//we are looking for one median value
LOOPSTATE_LOOKINGFORONE,
//we are looking for two median values, and the returned median
//will be the arithmetic mean of the two
LOOPSTATE_LOOKINGFORTWO,
//one of the median values has been found, but we are still searching for
//the second one
LOOPSTATE_FOUNDONE
};
template <
typename T, //type of the data
typename U //type of the return value
>
U find_median( Node<T> *list )
{
//This variable points to the pointer to the first element of the current partition.
//During the partition phase, the linked list will be broken and reassembled afterwards, so
//the pointer this pointer points to will be nullptr until it is reassembled.
Node<T> **pp_start = &list;
//This pointer represents nothing more than the cached value of *pp_start and it is
//not always valid
Node<T> *p_start = *pp_start;
//These pointers are maintained for accessing the middle of the list for selecting a pivot
//using the "median-of-three" rule.
Node<T> *p_middle;
Node<T> *p_end;
//result is not defined if list is empty
assert( p_start != nullptr );
//in the main loop, this variable always holds the number of elements in the current partition
int num_total = 1;
// First, we must traverse the entire linked list in order to determine the number of elements,
// in order to calculate k1 and k2. If it is odd, then the median is defined as the k'th smallest
// element where k = n / 2. If the number of elements is even, then the median is defined as the
// arithmetic mean of the k'th element and the (k+1)'th element.
// We also set a pointer to the nodes in the middle and at the end, which will be required later
// for selecting a pivot according to the "median-of-three" rule.
p_middle = p_start;
for ( p_end = p_start; p_end->next != nullptr; p_end = p_end->next )
{
num_total++;
if ( num_total % 2 == 0 ) p_middle = p_middle->next;
}
// find out whether we are looking for only one or two median values
enum LoopState loop_state = num_total % 2 == 0 ? LOOPSTATE_LOOKINGFORTWO : LOOPSTATE_LOOKINGFORONE;
//set k to the index of the middle element, or if there are two middle elements, to the left one
int k = ( num_total - 1 ) / 2;
// If we are looking for two median values, but we have only found one, then this variable will
// hold the value of the one we found. Whether we have found one can be determined by the state of
// the variable loop_state.
T val_found;
for (;;)
{
//make p_start cache the value of *pp_start again, because a previous iteration of the loop
//may have changed the value of pp_start
p_start = *pp_start;
assert( p_start != nullptr );
assert( p_middle != nullptr );
assert( p_end != nullptr );
assert( num_total != 0 );
if ( num_total == 1 )
{
switch ( loop_state )
{
case LOOPSTATE_LOOKINGFORONE:
return p_start->data;
case LOOPSTATE_FOUNDONE:
return arithmetic_mean<T,U>( val_found, p_start->data );
default:
assert( false ); //this should be unreachable
}
}
//select the pivot according to the "median-of-three" rule
T pivot;
if ( p_start->data < p_middle->data )
{
if ( p_middle->data < p_end->data )
pivot = p_middle->data;
else if ( p_start->data < p_end->data )
pivot = p_end->data;
else
pivot = p_start->data;
}
else
{
if ( p_start->data < p_end->data )
pivot = p_start->data;
else if ( p_middle->data < p_end->data )
pivot = p_end->data;
else
pivot = p_middle->data;
}
#if PRINT_DEBUG_LEVEL >= 1
//this line is conditionally compiled for extra debugging information
std::cout << "\nmedian of three: " << (*pp_start)->data << " " << p_middle->data << " " << p_end->data << " ->" << pivot << std::endl;
#endif
// We will be dividing the current partition into 3 new partitions (less-than,
// equal-to and greater-than) each represented as a linked list. Each list
// requires a pointer to the start of the list and a pointer to the pointer at
// the end of the list to write the address of new elements to. Also, when
// traversing the lists, we need to keep a pointer to the middle of the list,
// as this information will be required for selecting a new pivot in the next
// iteration of the loop. The latter is not required for the equal-to partition,
// as it would never be used.
Node<T> *p_less = nullptr, **pp_less_end = &p_less, **pp_less_middle = &p_less;
Node<T> *p_equal = nullptr, **pp_equal_end = &p_equal;
Node<T> *p_greater = nullptr, **pp_greater_end = &p_greater, **pp_greater_middle = &p_greater;
// These pointers are only used as a cache to the location of the end node.
// Despite their similar name, their function is quite different to pp_less_end
// and pp_greater_end.
Node<T> *p_less_end = nullptr;
Node<T> *p_greater_end = nullptr;
// counter for the number of elements in each partition
int num_less = 0;
int num_equal = 0;
int num_greater = 0;
// NOTE:
// The following loop will temporarily split the linked list. It will be merged later.
Node<T> *p_next_node = p_start;
//the following line isn't necessary; it is only used to clarify that the pointers no
//longer point to anything meaningful
*pp_start = p_start = nullptr;
for ( int i = 0; i < num_total; i++ )
{
assert( p_next_node != nullptr );
Node<T> *p_current_node = p_next_node;
p_next_node = p_next_node->next;
if ( p_current_node->data < pivot )
{
//link node to pp_less
assert( *pp_less_end == nullptr );
*pp_less_end = p_less_end = p_current_node;
pp_less_end = &p_current_node->next;
p_current_node->next = nullptr;
num_less++;
if ( num_less % 2 == 0 )
{
pp_less_middle = &(*pp_less_middle)->next;
}
}
else if ( p_current_node->data == pivot )
{
//link node to pp_equal
assert( *pp_equal_end == nullptr );
*pp_equal_end = p_current_node;
pp_equal_end = &p_current_node->next;
p_current_node->next = nullptr;
num_equal++;
}
else
{
//link node to pp_greater
assert( *pp_greater_end == nullptr );
*pp_greater_end = p_greater_end = p_current_node;
pp_greater_end = &p_current_node->next;
p_current_node->next = nullptr;
num_greater++;
if ( num_greater % 2 == 0 )
{
pp_greater_middle = &(*pp_greater_middle)->next;
}
}
}
assert( num_total == num_less + num_equal + num_greater );
assert( num_equal >= 1 );
#if PRINT_DEBUG_LEVEL >= 1
//this section is conditionally compiled for extra debugging information
{
std::cout << std::setfill( '0' );
switch ( loop_state )
{
case LOOPSTATE_LOOKINGFORONE:
std::cout << "LOOPSTATE_LOOKINGFORONE k = " << k << "\n";
break;
case LOOPSTATE_LOOKINGFORTWO:
std::cout << "LOOPSTATE_LOOKINGFORTWO k = " << k << "\n";
break;
case LOOPSTATE_FOUNDONE:
std::cout << "LOOPSTATE_FOUNDONE k = " << k << " val_found = " << val_found << "\n";
}
std::cout << "partition lengths: ";
std::cout <<
std::setw( 2 ) << num_less << " " <<
std::setw( 2 ) << num_equal << " " <<
std::setw( 2 ) << num_greater << " " <<
std::setw( 2 ) << num_total << "\n";
#if PRINT_DEBUG_LEVEL >= 2
Node<T> *p;
std::cout << "less: ";
if ( num_less > 10 )
std::cout << "too many to print";
else
for ( p = p_less; p != nullptr; p = p->next ) std::cout << p->data << " ";
std::cout << "\nequal: ";
if ( num_equal > 10 )
std::cout << "too many to print";
else
for ( p = p_equal; p != nullptr; p = p->next ) std::cout << p->data << " ";
std::cout << "\ngreater: ";
if ( num_greater > 10 )
std::cout << "too many to print";
else
for ( p = p_greater; p != nullptr; p = p->next ) std::cout << p->data << " ";
std::cout << "\n\n" << std::flush;
#endif
std::cout << std::flush;
}
#endif
//insert less-than partition into list
assert( *pp_start == nullptr );
*pp_start = p_less;
//insert equal-to partition into list
assert( *pp_less_end == nullptr );
*pp_less_end = p_equal;
//insert greater-than partition into list
assert( *pp_equal_end == nullptr );
*pp_equal_end = p_greater;
//link list to previously cut off part
assert( *pp_greater_end == nullptr );
*pp_greater_end = p_next_node;
//if less-than partition is large enough to hold both possible median values
if ( k + 2 <= num_less )
{
//set the next iteration of the loop to process the less-than partition
//pp_start is already set to the desired value
p_middle = *pp_less_middle;
p_end = p_less_end;
num_total = num_less;
}
//else if less-than partition holds one of both possible median values
else if ( k + 1 == num_less )
{
if ( loop_state == LOOPSTATE_LOOKINGFORTWO )
{
//the equal_to partition never needs sorting, because all members are already equal
val_found = p_equal->data;
loop_state = LOOPSTATE_FOUNDONE;
}
//set the next iteration of the loop to process the less-than partition
//pp_start is already set to the desired value
p_middle = *pp_less_middle;
p_end = p_less_end;
num_total = num_less;
}
//else if equal-to partition holds both possible median values
else if ( k + 2 <= num_less + num_equal )
{
//the equal_to partition never needs sorting, because all members are already equal
if ( loop_state == LOOPSTATE_FOUNDONE )
return arithmetic_mean<T,U>( val_found, p_equal->data );
return p_equal->data;
}
//else if equal-to partition holds one of both possible median values
else if ( k + 1 == num_less + num_equal )
{
switch ( loop_state )
{
case LOOPSTATE_LOOKINGFORONE:
return p_equal->data;
case LOOPSTATE_LOOKINGFORTWO:
val_found = p_equal->data;
loop_state = LOOPSTATE_FOUNDONE;
k = 0;
//set the next iteration of the loop to process the greater-than partition
pp_start = pp_equal_end;
p_middle = *pp_greater_middle;
p_end = p_greater_end;
num_total = num_greater;
break;
case LOOPSTATE_FOUNDONE:
return arithmetic_mean<T,U>( val_found, p_equal->data );
}
}
//else both possible median values must be in the greater-than partition
else
{
k = k - num_less - num_equal;
//set the next iteration of the loop to process the greater-than partition
pp_start = pp_equal_end;
p_middle = *pp_greater_middle;
p_end = p_greater_end;
num_total = num_greater;
}
}
}
// NOTE:
// The following code is not part of the algorithm, but is only intended to test the algorithm
// This simple class is designed to contain a singly-linked list
template <typename T>
class List
{
public:
List() : first( nullptr ) {}
// the following is required to abide by the rule of three/five/zero
// see: https://en.cppreference.com/w/cpp/language/rule_of_three
List( const List<T> & ) = delete;
List( const List<T> && ) = delete;
List<T>& operator=( List<T> & ) = delete;
List<T>& operator=( List<T> && ) = delete;
~List()
{
Node<T> *p = first;
while ( p != nullptr )
{
Node<T> *temp = p;
p = p->next;
delete temp;
}
}
void push_front( int data )
{
Node<T> *temp = new Node<T>;
temp->data = data;
temp->next = first;
first = temp;
}
//member variables
Node<T> *first;
};
int main()
{
//generated random numbers will be between 0 and 2 billion (fits in 32-bit signed int)
constexpr int min_val = 0;
constexpr int max_val = 2*1000*1000*1000;
//will allocate array for 1 million ints and fill with random numbers
constexpr int num_values = 1*1000*1000;
//this class contains the singly-linked list and is empty for now
List<int> l;
double result;
//These variables are used for random number generation
std::random_device rd;
std::mt19937 gen( rd() );
std::uniform_int_distribution<> dis( min_val, max_val );
try
{
//fill array with random data
std::cout << "Filling array with random data..." << std::flush;
auto unsorted_data = std::make_unique<int[]>( num_values );
for ( int i = 0; i < num_values; i++ ) unsorted_data[i] = dis( gen );
//fill the singly-linked list
std::cout << "done\nFilling linked list..." << std::flush;
for ( int i = 0; i < num_values; i++ ) l.push_front( unsorted_data[i] );
std::cout << "done\nCalculating median using STL function..." << std::flush;
//calculate the median using the functions provided by the C++ standard template library.
//Note: this is only done to compare the results with the algorithm provided in this file
if ( num_values % 2 == 0 )
{
int median1, median2;
std::nth_element( &unsorted_data[0], &unsorted_data[(num_values - 1) / 2], &unsorted_data[num_values] );
median1 = unsorted_data[(num_values - 1) / 2];
std::nth_element( &unsorted_data[0], &unsorted_data[(num_values - 0) / 2], &unsorted_data[num_values] );
median2 = unsorted_data[(num_values - 0) / 2];
result = arithmetic_mean<int,double>( median1, median2 );
}
else
{
int median;
std::nth_element( &unsorted_data[0], &unsorted_data[(num_values - 0) / 2], &unsorted_data[num_values] );
median = unsorted_data[(num_values - 0) / 2];
result = static_cast<int>(median);
}
std::cout << "done\nMedian according to STL function: " << std::setprecision( 12 ) << result << std::endl;
// NOTE: Since the STL functions only sorted the array, but not the linked list, the
// order of the linked list is still random and not pre-sorted.
//calculate the median using the algorithm provided in this file
std::cout << "Starting algorithm" << std::endl;
result = find_median<int,double>( l.first );
std::cout << "The calculated median is: " << std::setprecision( 12 ) << result << std::endl;
std::cout << "Cleaning up\n\n" << std::flush;
}
catch ( std::bad_alloc )
{
std::cerr << "Error: Unable to allocate sufficient memory!" << std::endl;
return -1;
}
return 0;
}
Я успешно протестировал свой код с миллионом случайно сгенерированных элементов, и он практически мгновенно нашел правильную медиану.
person
Andreas Wenzel
schedule
28.03.2020