外部排序与归并算法详解

"本章内容主要讲解了外部排序的相关知识，包括外存信息的存取、外部排序的基本方法——归并排序法、多路平衡归并以及置换-选择排序。内容涉及外部排序在处理大量数据记录文件时的重要性，以及与内部排序的差异。通过多次内外存的数据交换来实现外部排序，其中归并排序是主要方法，包括生成初始归并串、多路合并等步骤。此外，还提到了提高外排序效率的途径，如增大初始归并段长度和采用多路平衡归并，以减少I/O操作次数。" 在数据结构中，外部排序是一种处理大规模数据的有效手段，当数据量大到无法全部装入内存时，需要借助外部存储设备进行排序。这种排序方式的主要特点是需要在内存和外存之间进行多次数据交换。与内部排序相比，外部排序受限于外存的顺序存取特性，无法像内存那样随机存取数据。 归并排序法是外部排序的一种常见方法，它首先将大文件分割成若干小的、能一次性装入内存的子文件，然后对每个子文件进行内部排序，再逐步合并这些已排序的子文件，最终形成一个全局有序的大文件。例如，对于10000个记录的文件，如果每个物理块能容纳200个记录，内存能同时处理5个物理块，那么经过10次内部排序和多次两路归并，可以完成整个文件的排序。 多路平衡归并是提高归并排序效率的一种策略，通过比较多个记录（比如k个记录）中的最小值来减少比较次数。传统的k路归并比较次数较多，但通过建立“败者树”结构，可以在O(log k)的时间复杂度内找出最小记录，显著降低了比较次数，从而提高整体的归并效率。 置换-选择排序是一种特殊的外部排序方法，它适用于数据分布不均匀的情况，通过反复选择最小元素并将其与文件首元素交换，逐步将小元素前移，达到排序目的。 优化外部排序效率的关键在于减少I/O操作，这可以通过增大初始归并段的长度来减少归并段的数量，以及采用多路归并来降低合并趟数。例如，增加归并段长度可以减少外存读写次数，而多路归并则可以减少内部比较的复杂性，这两者结合能够显著提升外部排序的性能。