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Java 归并排序中子数组范围越界问题的根源与正确实现

霞舞

霞舞

发布时间:2026-02-15 15:41:08

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来源于php中文网

原创

Java 归并排序中子数组范围越界问题的根源与正确实现

本文深入解析归并排序在对非起始索引子数组(如 arr[3..7])进行排序时触发 ArrayIndexOutOfBoundsException 的根本原因,并提供符合 Java 惯用法的、边界安全的递归实现方案。

本文深入解析归并排序在对非起始索引子数组(如 arr[3..7])进行排序时触发 `arrayindexoutofboundsexception` 的根本原因,并提供符合 java 惯用法的、边界安全的递归实现方案。

归并排序的健壮性高度依赖于对子数组边界的精确理解与一致约定。原始代码中,high 参数被定义为待排序区间的最后一个有效索引(inclusive),即区间为 [low, high]。这一约定看似直观,却在实践中埋下两大隐患:

  1. temp 数组索引越界:merge 方法中执行 temp[i] = arr[i](i 从 low 到 high),要求 temp 数组长度至少为 high + 1;但若 low > 0(例如 low=3, high=7),而 temp 仅按 arr.length 分配(即 temp[0..arr.length-1]),则 temp[7] 合法,但 temp[3] 到 temp[7] 的写入本身无越界——真正问题在于递归调用中 mid+1 可能超出 temp 容量上限(见后文分析);
  2. 递归终止与分割逻辑错位:原终止条件 if (low 0 时,mid = low + (high - low) / 2 计算正确,而 mergeSort(arr, temp, mid + 1, high) 中 mid + 1 可能等于 high + 1(例如 low=5, high=5 → mid=5 → mid+1=6),导致后续 temp[j](j = mid + 1 = 6)访问 temp[6],而 temp 长度仅为 arr.length(假设 arr.length=6,索引最大为 5),从而抛出 ArrayIndexOutOfBoundsException。

更本质的问题是:将 high 定义为 inclusive 索引,破坏了“左闭右开”([low, high))这一在 Java 集合操作(如 Arrays.copyOfRange, List.subList)中广泛采用的、更安全且可组合的区间约定。它无法自然表达空区间(low == high 即为空),且使边界计算易出错。

✅ 推荐解决方案:采用 左闭右开区间 [low, high)

  • high 表示第一个不参与排序的元素索引(exclusive);
  • 顶层调用应传入 mergeSort(arr, temp, 0, arr.length);
  • temp 数组必须与 arr 等长(new int[arr.length]),确保所有可能访问的索引 i ∈ [low, high) 均在 temp 合法范围内。

以下是修正后的完整实现:

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public static void mergeSort(int[] arr, int[] temp, int low, int high) {
    // 终止条件:区间长度 <= 1(即 high - low <= 1)
    if (high - low <= 1) {
        return;
    }

    int mid = low + (high - low) / 2; // mid 是右半区起点,满足 [low, mid) 和 [mid, high)
    mergeSort(arr, temp, low, mid);     // 左半区:[low, mid)
    mergeSort(arr, temp, mid, high);    // 右半区:[mid, high)
    merge(arr, temp, low, mid, high);   // 合并 [low, mid) 和 [mid, high) → [low, high)
}

public static void merge(int[] arr, int[] temp, int low, int mid, int high) {
    // 复制 [low, high) 范围到 temp(注意:i < high)
    for (int i = low; i < high; i++) {
        temp[i] = arr[i];
    }

    int i = low;      // 左半区当前索引([low, mid))
    int j = mid;      // 右半区当前索引([mid, high))
    int k = low;      // 合并结果写入 arr 的起始位置

    // 合并两个有序子段
    while (i < mid && j < high) {
        if (temp[i] <= temp[j]) {
            arr[k++] = temp[i++];
        } else {
            arr[k++] = temp[j++];
        }
    }

    // 复制左半区剩余元素
    while (i < mid) {
        arr[k++] = temp[i++];
    }

    // 注意:右半区剩余元素无需复制,因它们已在 arr 中对应位置(但为完备性可保留)
    // while (j < high) { arr[k++] = temp[j++]; }
}

? 关键注意事项

  • temp 数组分配:务必使用 int[] temp = new int[arr.length];。即使只排序子数组,temp 仍需覆盖整个 arr 的索引空间,因为 merge 中 temp[i] 的 i 可达 high-1,而 high 最大为 arr.length。
  • 顶层调用规范:排序整个数组 → mergeSort(arr, temp, 0, arr.length);排序子数组 arr[3..7](含索引 3,4,5,6,7 共 5 个元素)→ mergeSort(arr, temp, 3, 8)。
  • 空区间安全:当 low >= high 时,high - low
  • 性能无损:该修改未增加额外时间或空间复杂度,仍保持 O(n log n) 时间与 O(n) 空间。

总结:归并排序的区间约定不是语法细节,而是决定算法鲁棒性的设计基石。拥抱 [low, high) 惯例,不仅能彻底规避索引越界,更能提升代码可读性、可测试性与与其他 Java API 的互操作性。

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