以归并算法的C语言实现为例，谈谈程序开发中的五大常用算法之一，分治算法详解

分治算法，顾名思义就是“分而治之”，即把规模较大的复杂问题拆分为若干规模较小的类似子问题，并逐个解决，最后再将各个子问题的解决结果合并，得到原始问题的结果的方法。这个技巧是很多高效算法的基础，例如快速排序算法、归并排序算法、快速傅里叶变换等等。

分治算法的通俗理解

一般来说，规模小的问题比规模大的问题解决起来简单，例如数组排序问题，只有 2 个元素的数组处理起来要比有 2000 个元素的数组简单。这是分治算法的基本立足点，也是使用条件之一，总结一下就是，对于一个规模较大的问题，可以拆分成若干不相关的子问题，并且子问题解决起来更加简单。

分治算法在我们日常生活中无处不在，例如国家依次划分为省市县镇村来管理，本质上也是因为解决“子问题”（管理村）要简单许多。

有这样一个非常经典的问题：生产线生产了 99 个工件，其中 1 个工件是劣品，比其他 98 个工件质量轻一些，如果用天平称，至少多少次一定能找到这个劣品工件？

要解决这个问题，最简单粗暴的方法是逐个比较，如果第 x 个工件比第 y 个工件轻，第 x 个工件就是劣品。那么 99 个工件至少需要比较 50 次才能确保一定找到劣品。

能够发现，使用逐个比较的方法的时间开销与工件总数有关，如果工件总数很少，比如只有 2 个，那么只需要比较一次就可以找到劣品了。因此该问题满足使用“分治算法”的必要条件之一：规模较小的子问题解决起来更简单。现在尝试使用分治算法解决该问题：

将 99 个工件等分为 3 份，每份 33 个工件；
比较第 1、2 份，如果天平平衡，那么劣品必定在第 3 份中，否则劣品在轻的那一份中；
将劣品所在的那一份再等分为 3 份，每份 11 个工件；
重复第 2 步；
将劣品所在那一份再分为 3 份，每份分别为 3、3、2 个工件；
重复第 2 步；
不管劣品所在那一份为 3 个工件还是 2 个工件，只需再比较一次，就可找到劣品。

可见，使用分治算法只需要比较 4 次就可以找到劣品，这远低于逐个比较法的 50 次。不过也应该注意到，使用分治法找劣品时，每次拆分子问题时，各个子问题是互不干扰的——例如其中一份的 33 个工件质量不会影响其他份的 33 个工件质量。

归并排序法

从前面这个简单的实例可以看出，分治法有时的确能够极大的提升解决问题的效率，事实上，在C语言程序开发中，许多优秀的算法本质上都是基于分治思想的，一个非常典型的例子就是归并排序法，它在处理数组排序时有着不错的效率。

在处理数组排序时，如果数组中只有 1 个元素，那么该数组本身就可看作是排好序的数组。如果数组中有 2 个元素，那么最多只需比较一次就可以得到排好序的数组。这其实是归并排序法的核心，也即规模越小的数组，对其排序越简单。下图是一个长度为 5 的数组，为了排序，先把它拆分到不能继续拆为止。

显然，“拆分到不能继续拆”后，子问题已经变成了只有 1 个元素的数组，这样的数组已经是“排好序”的数组了。按照我们前面讨论的，现在需要做的就是把这些已经排好序的子数组合并，问题转化为：按照顺序合并有序数组，如下图所示：

归并排序的C语言实现

根据前面的分析，使用C语言实现归并排序法需要实现两个子模块：拆分和合并。拆分数组有多种方法，通常采用二等分法，设数组头的索引为 start，数组尾的索引为 end，mid=(start+end)/2，每次平均拆分，都会将数组分为 start 到 mid，和 mid+1 到 end 两个子数组，再对这两个子数组执行同样的拆分，一直到不能拆分为止。所谓“不能拆分”，其实就是数组中只有一个元素，也即 start 等于 end，这一过程非常适合使用递归实现。我们先确定递归的停止条件：

void divide(int *arr, int start, int end)
{
    if (start >= end)
        return;
}

否则，我们将继续拆分子数组（start, mid）和（mid+1, end），这一过程的C语言代码如下：

void divide(int *arr, int start, int end)
{
    if (start >= end)
    return;
    int mid = (start+end)/2;
    divide(arr, start, mid);
    divide(arr, mid+1, end);
}

关于 divide() 递归函数的理解，我之前的这篇文章详细讨论过。

搞定拆分模块后，再来看看合并模块。按照前面讨论的，拆分到“不能拆为止”的都可认为是已经排好序的子数组，所以合并模块要按照顺序（本例从小到大）将子数组合并：

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编译并执行这段C语言代码，得到如下输出：

# gcc t.c -std=c99
# ./a.out 
1 2 3 4 5 6 7 8

归并排序算法的时间复杂度

在计算过程中，累加和比较的过程是关键操作，一个长度为 n 的数组在递归的每一层都会进行 n 次操作，分治法的递归层级在 logN 级别，所以整体的时间复杂度是 O(nlogn)。

归并排序法是一个效率不错的排序算法，可能时间复杂度看起来不是特别直观，我们将之与简单粗暴的“冒泡排序算法”对比，在我的机器上分别对不同规模的数组排序，得到如下结果：

元素个数	冒泡排序耗时	归并排序耗时
100	1ms	1ms
1万	141ms	2ms
100万	>2min	230ms

冒泡排序算法是比较简单的算法，在处理规模较小的数组时和归并排序法的效率不相上下，但是在处理规模较大的数组时，冒泡排序算法的效率逐渐远离归并排序了，且数组的规模越大，二者的效率差异越大，在处理 100 万个数组元素时，归并排序算法仅消耗 230 毫秒就处理完毕了，而冒泡排序算法在执行 2 分钟后仍然还没有完成，我没有耐心等下去，提前结束它了。