java - 调试 HeapSort Java 代码

Question

我有一个随机生成的测试程序，数据是随机生成的，然后将它们传递给类 Sorter 的类构造函数。然后Sorter会对数据进行排序，通过一个方法传回给main函数。我还实现了其他几种排序方法作为 Sorter 类的子类，它们工作得很好。所以我认为我的 Sorter 类没有问题。下面是我的测试程序在使用堆排序时的输出。

数据:

48 96 71 81 78 72 93 52 67 70

排序数据:

48 71 81 78 72 67 52 93 70 96

如您所见，经过以下代码后数据未排序。下面是代码。

public class HeapSort extends Sorter{
    private int[] heap;
    private int size;

    public HeapSort(int[] data){
        super(data);
    }

    public void sort(){
        constructHeap();

        for(int i = size - 1; i >= 0; i--){
            numbers[i] = extractMax();
        }
    }

    public void constructHeap(){
        size = numbers.length;
        heap = new int[size];
        for(int j = 0; j < size; j++) heap[j] = numbers[j];

        for(int i = size/2 - 1; i >= 0; i--){
            fixHeap(i, heap[i]);
        }
    }

    public int extractMax(){
        int max = heap[0];
        fixHeap(0, heap[--size]);
        return max;
    }

    public void fixHeap(int pos, int key){
        if(left(pos) > size) heap[pos] = key; // if current position is leaf
        else{
            int largest = pos;
            int r = right(pos);
            int l = left(pos);
            if(r < size && heap[largest] < heap[r]) largest = r;
            if(l < size && heap[largest] < heap[l]) largest = l;

            if(largest == pos) heap[pos] = key;
            else{
                heap[pos] = heap[largest];
                fixHeap(largest, key);
            }
        }
    }

    public int left(int i){return 2*i+1;}

    public int right(int i){return 2*i+2;}
}

编辑:下面是调试后的代码。希望有人会觉得它有用。

public class HeapSort extends Sorter{

  private int[] heap;
  private int size;

  public HeapSort(int[] data){
    super(data);
  }

  public void sort(){
    constructHeap();

    for(int i = size - 1; i >= 0; i--){
      numbers[i] = extractMax();
    }
  }

  public void constructHeap(){
    size = numbers.length;
    heap = new int[size];
    for(int j = 0; j < size; j++) heap[j] = numbers[j];

    for(int i = size/2 - 1; i >= 0; i--){
      fixHeap(i);
    }
  }

  public int extractMax(){
    int max = heap[0];
    heap[0] = heap[--size];
    fixHeap(0);
    return max;
  }

  public void fixHeap(int pos){
    if(left(pos) < size){               // if current position is not leaf
      int largest = pos;
      int r = right(pos);
      int l = left(pos);
      if(r < size && heap[largest] < heap[r]) largest = r;
      if(l < size && heap[largest] < heap[l]) largest = l;

      if(largest != pos){
        exchange(pos, largest);
        fixHeap(largest);
      }
    }
  }

  public int left(int i){return 2*i+1;}

  public int right(int i){return 2*i+2;}

  public void exchange(int a, int b){
    int temp = heap[a];
    heap[a] = heap[b];
    heap[b] = temp;
  }

}

Answer 1

我假设您有一个调试器，并且知道如何使用它。

在我看来，调试复杂代码的最佳方式就是我所说的“分而治之调试”。伪代码:

void debug(Time beforeTheBug, Time afterTheBug) {
    do {
        Time pivot = between(beforeTheBug, afterTheBug);
        if (stateIsAsExceptedAt(pivot)) {
            afterTheBug = pivot;
        } else {
           beforetheBug = pivot;
        }
    } while (amountOfCodeExecutedBetween(beforeTheBug, afterTheBug) is not trivial);
}

在你的例子中，我的第一个检查是输出。确实没有排序，所以bug在这个类。

我的下一个检查是在 constructHeap 之后是否满足堆不变量。当时heap为[96, 48, 93, 81, 78, 72, 71, 52, 67, 70]，所以不满足堆不变量(48不大于78) ，并且在构建堆期间出现错误。

查看 constructHeap() 没有发现有用的断点，因为第一个循环非常简单，而且不太可能出错，而第二个循环(调用 fixHeap)包含所有复杂性。

循环的第一次迭代没有发现任何改变，这是正确的，因为子树已经满足堆不变量。第二次迭代相同。

第三次迭代正确识别右 child 大于根，并交换两者。

第四次迭代发现没有任何变化，这是正确的。

所以它是包含问题的循环的最后一次迭代。两个 child 都比 parent 大。 fixHeap 正确地将较大的 child 移动到根中，并递归调用自身。该调用发现堆不变量得到满足，并返回。但返回后不满足不变量。

所以问题出在从检测堆不变性到返回的某个地方。检测检查:

        if (r < size && heap[largest] < heap[r])
            largest = r;
        if (l < size && heap[largest] < heap[l])
            largest = l;

其中 heap 是 [96, 96, 93, 81, 78, 72, 71, 52, 67, 70]。是的，96 大于 81 和 78。但实际上，heap[pos] == key 不应该吗？啊，这就是下一条语句的作用...

换句话说，我们在完成上一次更新之前检查堆不变量，然后完成该更新，这在这种情况下破坏了不变量......