Question

我正在学习C，我尝试了一种递归的快速排序算法。在小输入尺寸下，它按预期工作;使用随机生成的数组，所有测试的大小（最多100,000）都没有问题。使用降序数组，它以某种数组大小（32,506）以某种方式中断（Windows给我一条消息，程序已停止工作）。我的代码中是否有任何错误（例如任何错误的内存分配 - 我不确定我是否正确）或者C在递归调用或其他任何内容中有限制吗？

编辑：我知道我的Quicksort实现相当天真，并且它对这种输入表现得非常糟糕，但我没想到它会崩溃。

我在Windows 10的命令提示符下使用GCC和MinGW。我不知道如何找出确切的结果，因为尽管Windows告诉我程序已经停止，但我并没有真正收到任何指定的错误消息工作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int partition(int *a, int lo, int hi) {
    int i = lo; int j = hi+1; int v,t;
    v = a[lo]; //partition element
    while (1) {
        while (a[++i] < v) {if (i == hi) break;}
        while (v < a[--j]) {if (j == lo) break;}
        if (i >= j) break;
        t = a[j]; a[j] = a[i]; a[i]= t; //swap
    }
    t = a[lo]; a[lo] = a[j]; a[j]= t;//swap
    return j;
}

void quicksort(int a[], int lo, int hi) {
    int j;
    if (hi <= lo) return;
    j = partition(a, lo, hi);
    quicksort(a, lo, j-1);
    quicksort(a, j+1, hi);
}

int main()  {
    int len;
    for (len = 32000;len < 40000;len+=100) {
        printf("New Arr with len = %d\n",len);
        int *arr;
        arr = (int*) calloc(len,sizeof(int));
        int j;
        //create descending Array
        for (j = 0; j < len; ++j) {
            arr[j] = len-j;
        }
        printf("start sorting\n");
        quicksort(arr,0,len-1);
        free(arr);
    }
}

Answer 1

对我来说，你的代码在更大的尺寸上失败了（c.370,000个元素）。您可能遇到平台限制（可能由于堆栈溢出而限制递归深度）。如果没有确切的错误信息，当然很难确定。

您的输入集可能是您实施的病态案例 - 请参阅What makes for a bad case for quick sort?

您可以通过更好地选择枢轴来减少递归深度 - 常用技术是获取第一个，中心和最后一个元素的中位数。像这样：

int v0 = a[lo], v1 = a[(lo+hi+1)/2], v2 = a[hi];
/* pivot: median of v0,v1,v2 */
int v = v0 < v1 ? v1 < v2 ? v1 : v0 < v2 ? v2 : v0 : v0 < v2 ? v0 : v1 < v2 ? v2 : v1;

您还可以通过仅针对较小的分区递归来减少递归深度，并使用迭代来处理较大的分区。您可以使用编译器的尾部调用消除器将递归转换为迭代，但如果这不起作用，则您需要自己编写它。类似的东西：

void quicksort(int a[], int lo, int hi) {
    while (lo < hi) {
        int j = partition(a, lo, hi);
        if (j - lo < hi -j) {
            quicksort(a, lo, j-1);
            lo = j+1;
        } else {
            quicksort(a, j+1, hi);
            hi = j-1;
        }
    }
}

通过上述更改，我可以对超过十亿个元素的数组进行排序而不会崩溃（我必须进行一些性能改进 - 见下文 - 即使这样，也需要17秒）。

当您发现子数组已经排序时，您可能还希望提前返回。我将此作为练习。

P.S。您main()中的几个问题：

您不会测试calloc()的结果 - 您可能应该使用malloc()代替，因为您仍会编写每个元素：

int *arr = malloc(len * sizeof *arr);
if (!arr) return fprintf(stderr, "allocation failed\n"), EXIT_FAILURE;

完整列表

这是我最终得到的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <limits.h>

int partition(int *a, int i, int j) {
    int v0 = a[i], v1 = a[(i+j+1)/2], v2 = a[j];
    /* pivot: median of v0,v1,v2 */
    int v = v0 < v1 ? v1 < v2 ? v1 : v0 < v2 ? v2 : v0 : v0 < v2 ? v0 : v1 < v2 ? v2 : v1;
    while (i < j) {
        while (a[i] < v && ++i < j)
            ;
        while (v < a[j] && i < --j)
            ;
        int t = a[j]; a[j] = a[i]; a[i]= t; //swap
    }
    /* i == j; that's where the pivot belongs */
    a[i] = v;
    return j;
}

void quicksort(int a[], int lo, int hi) {
    while (lo < hi) {
        int j = partition(a, lo, hi);
        if (j - lo < hi -j) {
            quicksort(a, lo, j-1);
            lo = j+1;
        } else {
            quicksort(a, j+1, hi);
            hi = j-1;
        }
    }
}

int main()  {
    int len = INT_MAX/2+1;
    printf("New Arr with len = %d\n",len);
    int *arr = malloc(len * sizeof *arr);
    if (!arr) return fprintf(stderr, "allocation failed\n"), EXIT_FAILURE;

    /* populate pessimal array */
    for (int j = 0; j < len; ++j) {
        arr[j] = len-j;
    }

    printf("start sorting\n");
    quicksort(arr, 0, len-1);

    /* test - is it sorted? */
    for (int i = 0;  i+1 < len;  ++i)
        if (arr[i] >= arr[i+1])
            return fprintf(stderr, "not sorted\n"), EXIT_FAILURE;
    free(arr);
}

Answer 2

递归太深，无法将其存储在堆栈中。它必须为每个级别存储int j = partition(..)。有一些声明性技术可以最大限度地减少递归堆栈的使用。例如，将结果作为参数。但是这种情况要比我举一个例子复杂得多。

为什么我的quicksort会因大型反向排序数组而崩溃？

2 个答案:

完整列表