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@adamhand 2019-03-11T10:22:10.000000Z 字数 11188 阅读 1075

排序算法总结


目录

比较排序

非比较排序

前言:

通常所说的排序算法往往指的是内部排序算法,即数据记录在内存中进行排序。
排序算法大体可分为两种:
  一种是比较排序,时间复杂度O(nlogn) ~ O(n^2),主要有:冒泡排序,选择排序,插入排序,归并排序,堆排序,快速排序等。
  另一种是非比较排序,时间复杂度可以达到O(n),主要有:计数排序,基数排序,桶排序等。

关于算法的稳定性
  排序算法稳定性的简单形式化定义为:如果Ai = Aj,排序前AiAj之前,排序后Ai还在Aj之前,则称这种排序算法是稳定的。通俗地讲就是保证排序前后两个相等的数的相对顺序不变。
  对于不稳定的排序算法,只要举出一个实例,即可说明它的不稳定性;而对于稳定的排序算法,必须对算法进行分析从而得到稳定的特性。需要注意的是,排序算法是否为稳定的是由具体算法决定的,不稳定的算法在某种条件下可以变为稳定的算法,而稳定的算法在某种条件下也可以变为不稳定的算法。
  例如,对于冒泡排序,原本是稳定的排序算法,如果将记录交换的条件改成A[i] >= A[i + 1],则两个相等的记录就会交换位置,从而变成不稳定的排序算法。
  其次,说一下排序算法稳定性的好处。排序算法如果是稳定的,那么从一个键上排序,然后再从另一个键上排序,前一个键排序的结果可以为后一个键排序所用。基数排序就是这样,先按低位排序,逐次按高位排序,低位排序后元素的顺序在高位也相同时是不会改变的。

排序算法 平均情况 最好情况 最差情况 辅助空间 稳定性 备注
冒泡排序 O(n^2) O(n) O(n^2) O(1) 稳定
快速排序 O(nlogn) O(nlogn) O(n^2) O(nlogn)~O(n)) 不稳定
直接插入排序 O(n^2) O(n) O(n^2) O(1) 稳定
希尔排序 O(nlogn)~O(n^2) O(n^1.3) O(n^2) O(1) 不稳定
直接选择排序 O(n^2) O(n^2) O(n^2) O(1) 不稳定
堆排序 O(nlogn) O(nlogn) O(nlogn) O(1) 不稳定
归并排序 O(nlogn) O(nlogn) O(nlogn) O(n) 稳定
计数排序 O(n+k) O(n+k) O(n+k) O(n+k) 稳定
基数排序 O(N*M) O(N*M) O(N*M) O(M) 稳定 M为数据位数,N为数据个数
桶排序

各种排序算法适合在哪样的环境下使用???

一. 比较排序

1.冒泡排序

1.1 普通冒泡排序

过程如下:



  1. public class BoobleSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. for(int i = 0; i < nums.length - 1; i++){
  4. for(int j = 0; j < nums.length - 1 - i; j++){
  5. if(nums[j] > nums[j + 1]){
  6. SortUtils.swap(nums, j, j + 1);
  7. }
  8. }
  9. }
  10. }
  11. }

1.2 鸡尾酒排序

  鸡尾酒排序,也叫定向冒泡排序,是冒泡排序的一种改进。此算法与冒泡排序的不同处在于从低到高然后从高到低,而冒泡排序则仅从低到高去比较序列里的每个元素。他可以得到比冒泡排序稍微好一点的效能。

  1. public class CocktailSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. int left = 0, right = nums.length - 1;
  4. while(left < right){
  5. for(int i = left; i < right; i++){
  6. if(nums[i] > nums[i + 1])
  7. SortUtils.swap(nums, i, i + 1);
  8. }
  9. right--;
  10. for(int i = right; i > left; i--){
  11. if(nums[i] < nums[i - 1])
  12. SortUtils.swap(nums, i, i - 1);
  13. }
  14. left++;
  15. }
  16. }
  17. }

2. 插入排序

2.1 直接插入排序

  具体算法描述如下:

  1. public class InsertSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. for(int i = 1; i < nums.length; i++){
  4. int get = nums[i]; //现将待排序的数取出,可以减少交换的次数
  5. int j = i - 1;
  6. while(j >= 0 && nums[j] > get){ //从后向前查找,当前数比待排序的数大,就将当前数后移,腾出位置
  7. nums[j + 1] = nums[j];
  8. j--;
  9. }
  10. nums[j + 1] = get; //当前数不比排序数大,就插入
  11. }
  12. }
  13. }

2.2 二分插入排序

  对于插入排序,如果比较操作的代价比交换操作大的话,可以采用二分查找法来减少比较操作的次数,我们称为二分插入排序

  1. public class InsertionSortDichotomy {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. for(int i = 1; i < nums.length; i++){
  4. int get = nums[i]; //将待排序的数取出
  5. int left = 0, right = i - 1, mid = 0;
  6. while(left <= right){ //左边已经是排好序的,可以用二分法查找
  7. mid = (left + right) / 2;
  8. if(nums[mid] > get){
  9. right = mid - 1;
  10. }else{
  11. left = mid + 1;
  12. }
  13. }
  14. for(int j = i - 1; j >= left; j--){ //移动,腾出插入的位置
  15. nums[j + 1] = nums[j];
  16. }
  17. nums[left] = get; //left的位置就是需要插入的位置
  18. }
  19. }
  20. }

2.3 希尔排序

  希尔排序又叫“缩小增量排序”,是把记录按下标的一定增量分组,对每组使用直接插入排序算法排序;随着增量逐渐减少,每组包含的关键词越来越多,当增量减至1时,整个文件恰被分成一组,算法便终止。
  希尔排序的增量序列的选择与证明是个数学难题,增量取法可以参考严蔚敏的书,这里取一个递增数列,使用递增序列 1, 4, 13, 40, ...的希尔排序所需要的比较次数不会超过 N 的若干倍乘于递增序列的长度。

  1. public class ShellSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. int length = nums.length;
  4. int h = 1;
  5. while(h < length / 3){
  6. h = 3 *h + 1; //增量,1,4,13,40....
  7. }
  8. while(h >= 1){
  9. for(int i = h; i < length; i++){ //插入排序
  10. int j = i - h;
  11. int get = nums[i];
  12. while(j >= 0 && nums[j] > get){
  13. nums[j + h] = nums[j];
  14. j = j - h;
  15. }
  16. nums[j + h] = get;
  17. }
  18. h = (h - 1) / 3; //缩小增量
  19. }
  20. }
  21. }

3 选择排序

3.1 “菜鸟”排序

  很容易想到的一种排序方法,具体算法如下图所示。由于该算法每次都“选择”最小的元素,所以也可以看成是一种选择排序。



  1. public class BirdSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. for(int i = 0; i < nums.length-1; i++){
  4. for(int j = i + 1; j < nums.length; j++){
  5. if(nums[i] > nums[j]){
  6. SortUtils.swap(nums, i, j);
  7. }
  8. }
  9. }
  10. }
  11. }

3.1 简单选择排序

  选择排序也是一种简单直观的排序算法。它的工作原理很容易理解:初始时在序列中找到最小(大)元素,放到序列的起始位置作为已排序序列;然后,再从剩余未排序元素中继续寻找最小(大)元素,放到已排序序列的末尾。以此类推,直到所有元素均排序完毕。
  注意选择排序与冒泡排序的区别:冒泡排序通过依次交换相邻两个顺序不合法的元素位置,从而将当前最小(大)元素放到合适的位置;而选择排序每遍历一次都记住了当前最小(大)元素的位置,最后仅需一次交换操作即可将其放到合适的位置。
  选择排序可以看成是对“菜鸟”排序的一种简化,不用每次都比较。

  1. public class SelectionSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. int min ;
  4. int temp;
  5. for(int i = 0; i < nums.length - 1; i++) {
  6. min = i; //记录最小元素的位置
  7. for (int j = i + 1; j < nums.length; j++) {
  8. if (nums[j] < nums[min]) {
  9. min = j;
  10. }
  11. }
  12. temp = nums[min];
  13. nums[min] = nums[i];
  14. nums[i] = temp;
  15. }
  16. }
  17. }

3.2 堆排序

  堆是具有以下性质的完全二叉树:每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值,称为大顶堆;或者每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值,称为小顶堆。如下图:

同时,我们对堆中的结点按层进行编号,将这种逻辑结构映射到数组中就是下面这个样子



该数组从逻辑上讲就是一个堆结构,我们用简单的公式来描述一下堆的定义就是:
大顶堆:arr[i] >= arr[2i+1] && arr[i] >= arr[2i+2]
小顶堆:arr[i] <= arr[2i+1] && arr[i] <= arr[2i+2]
注意:大顶堆和小顶堆对兄弟节点的大小关系没有要求。

堆排序的基本思想是:将待排序序列构造成一个大顶堆,此时,整个序列的最大值就是堆顶的根节点。将其与末尾元素进行交换,此时末尾就为最大值。然后将剩余n-1个元素重新构造成一个堆,这样会得到n个元素的次小值。如此反复执行,便能得到一个有序序列了

a.假设给定无序序列结构如下



  b.此时我们从最后一个非叶子结点开始(叶结点自然不用调整,第一个非叶子结点 arr.length/2-1=5/2-1=1,也就是下面的6结点),从左至右,从下至上进行调整。

  c.找到第二个非叶节点4,由于[4,9,8]中9元素最大,4和9交换。

  d.这时,交换导致了子根[4,5,6]结构混乱,继续调整,[4,5,6]中6最大,交换4和6。

  e.此时,我们就将一个无需序列构造成了一个大顶堆。

再简单总结下堆排序的基本思路:

  a.将无需序列构建成一个堆,根据升序降序需求选择大顶堆或小顶堆;
  b.将堆顶元素与末尾元素交换,将最大元素"沉"到数组末端;
  c.重新调整结构,使其满足堆定义,然后继续交换堆顶元素与当前末尾元素,反复执行调整+交换步骤,直到整个序列有序。

  1. public class HeapSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. //1.构建大顶堆
  4. for(int i = nums.length / 2 - 1; i >= 0; i--){
  5. adjustHeap(nums, i, nums.length); //从第一个非叶子结点从下至上,从右至左调整结构
  6. }
  7. //2.调整堆结构+交换堆顶元素与末尾元素
  8. for(int j = nums.length - 1; j > 0; j--){
  9. SortUtils.swap(nums, 0, j); //将堆顶元素与末尾元素进行交换
  10. adjustHeap(nums, 0, j); //重新对堆进行调整。j表示的是需要排列的数组的长度,每次讲最后一个踢出去,因为已经是最大。
  11. }
  12. }
  13. /**
  14. * 调整大顶堆。只是调整,建立在大顶堆已经构建的基础上。
  15. * @param nums:存储堆元素的数组
  16. * @param i:从第i个元素开始调整
  17. * @param length:数组的长度
  18. */
  19. public static void adjustHeap(int[] nums, int i, int length){
  20. int temp = nums[i];
  21. for(int j = 2*i+1; j < length; j = j*2+1){ //从当前节点nums[i]的左子节点即nums[2*i+1]开始,如果当前节点的左子节点还有左子节点,继续寻找(j=j*2+1)
  22. if((j + 1) < length && nums[j] < nums[j + 1]){ //如果左子结点小于右子结点,j指向右子结点
  23. j++;
  24. }
  25. if(nums[j] > temp){ //如果子节点大于父节点,将子节点值赋给父节点(不用进行交换)
  26. nums[i] = nums[j];
  27. i = j;
  28. }
  29. }
  30. nums[i] = temp; //将当前元素放到合适的位置
  31. }
  32. }

4 归并排序

  归并排序(MERGE-SORT)是利用归并的思想实现的排序方法,该算法采用经典的分治(divide-and-conquer)策略(分治法将问题分(divide)成一些小的问题然后递归求解,而治(conquer)的阶段则将分的阶段得到的各答案"修补"在一起,即分而治之)。分阶段可以理解为就是递归拆分子序列的过程,递归深度为log2n。

  再来看看治阶段,我们需要将两个已经有序的子序列合并成一个有序序列,比如上图中的最后一次合并,要将[4,5,7,8]和[1,2,3,6]两个已经有序的子序列,合并为最终序列[1,2,3,4,5,6,7,8],来看下实现步骤。

  1. public class MergeSort {
  2. public static void Merge(int[] A, int left, int mid, int right){
  3. //int length = A.length; //注意这里不是这么写
  4. int length = right - left + 1;
  5. int temp = 0;
  6. int[] tmp = new int[length];
  7. int i = left, j = mid + 1;
  8. while(i <= mid && j <= right){
  9. tmp[temp++] = A[i] <= A[j] ? A[i++] : A[j++]; //带等号保证排序的稳定性。
  10. }
  11. while(i <= mid){
  12. tmp[temp++] = A[i++];
  13. }
  14. while(j <= right){
  15. tmp[temp++] = A[j++];
  16. }
  17. for(int k = 0; k < length; k++){
  18. A[left++] = tmp[k]; //注意这里不是A[k]=tem[k]
  19. }
  20. }
  21. /**
  22. * 归并排序递归操作:自顶向下
  23. * @param A
  24. * @param left
  25. * @param right
  26. */
  27. public static void sortRecursion(int[] A, int left, int right){
  28. if(left == right){
  29. return;
  30. }
  31. int mid = (left + right) / 2;
  32. sortRecursion(A, left, mid);
  33. sortRecursion(A, mid + 1, right);
  34. Merge(A, left, mid, right);
  35. }
  36. /**
  37. * 归并排序迭代操作:自下而上
  38. * @param A
  39. */
  40. public static void sortIteration(int[] A){
  41. int left, mid, right; // 子数组索引,前一个为A[left...mid],后一个子数组为A[mid+1...right]
  42. int length = A.length;
  43. for(int i = 1; i < length; i *= 2){ // 子数组的大小i初始为1,每轮翻倍
  44. left = 0;
  45. while(left + i < length){ // 后一个子数组存在(需要归并)
  46. mid = left + i - 1;
  47. right = mid + i < length ? mid + i : length - 1; // 后一个子数组大小可能不够
  48. Merge(A, left, mid, right);
  49. left = right + 1; // 前一个子数组索引向后移动
  50. }
  51. }
  52. }
  53. }

5 快速排序

它的基本思想是:通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分,其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小,然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序,整个排序过程可以递归进行,以此达到整个数据变成有序序列

  1. public class QuickSort {
  2. public static void sort(int[] arr, int left, int right) {
  3. if (left < right) {
  4. //获取枢纽值,并将其放在当前待处理序列末尾
  5. dealPivot(arr, left, right);
  6. //枢纽值被放在序列末尾
  7. int pivot = right - 1;
  8. //左指针
  9. int i = left;
  10. //右指针
  11. int j = right - 1;
  12. while (true) {
  13. while (arr[++i] < arr[pivot]) {
  14. }
  15. while (j > left && arr[--j] > arr[pivot]) {
  16. }
  17. if (i < j) {
  18. SortUtils.swap(arr, i, j);
  19. } else {
  20. break;
  21. }
  22. }
  23. if (i < right) { //将枢纽移至两块排好序的数组中间
  24. SortUtils.swap(arr, i, right - 1);
  25. }
  26. sort(arr, left, i - 1);
  27. sort(arr, i + 1, right);
  28. }
  29. }
  30. /**
  31. * 处理枢纽值
  32. *
  33. * @param arr
  34. * @param left
  35. * @param right
  36. */
  37. public static void dealPivot(int[] arr, int left, int right) {
  38. int mid = (left + right) / 2;
  39. if (arr[left] > arr[mid]) {
  40. SortUtils.swap(arr, left, mid);
  41. }
  42. if (arr[left] > arr[right]) {
  43. SortUtils.swap(arr, left, right);
  44. }
  45. if (arr[right] < arr[mid]) {
  46. SortUtils.swap(arr, right, mid);
  47. }
  48. SortUtils.swap(arr, right - 1, mid);
  49. }
  50. }

二. 非比较排序

  非比较排序一般算法能做到O(logn),已经非常不错,如果我们排序的对象是纯数字,还可以做到惊人的O(n)。涉及的算法有计数排序、基数排序、桶排序,它们被归类为非比较排序。
  非比较排序只要确定每个元素之前的已有的元素个数即可,遍历一次就能求解。算法时间复杂度O(n)
  非比较排序时间复杂度低,但由于非比较排序需要占用空间来确定唯一位置。所以对数据规模和数据分布有一定的要求。

1. 计数排序

  计数排序的思想如下:给定待排序的数组A,首先统计A中各个元素出现的次数,将结果计入数组C中,形式为C[A[i]],这样,数组C的下标就是数组A中元素的值,数组C的值就是数组A中各个元素出现的次数,即数组C中存放的是数组A中的每个元素及其对应的出现次数。而且由于数组的下标是由小到大的,所以数组A中的值在数组C中已经是被排好序的。然后,将数组C“展开”就可以得到数组A排序后的结果,如下图所示。

  总结一下基数排序的过程;

  • 统计数组A中每个值A[i]出现的次数,存入C[A[i]]
  • 从前向后,使数组C中的每个值等于其与前一项相加,这样数组C[A[i]]就变成了代表数组A中小于等于A[i]的元素个数
  • 反向填充目标数组B:将数组元素A[i]放在数组B的第C[A[i]]个位置(下标为C[A[i]] - 1),每放一个元素就将C[A[i]]递减

缺点:因为构造C数组时,使用的下标为A中的元素值,所以如果A中有一个很大的元素,则构造出来的C数组势必非常大,所以,计数排序适合范围比较小的数的排序。

  1. public class CountSort {
  2. public static int[] sort(int[] A){
  3. int[] C = new int[100]; //排序的数最大值不能超过100
  4. int[] B = new int[A.length]; //存放排序后的结果
  5. for(int i = 0; i < A.length; i++){ // 统计A中各元素个数,存入C数组
  6. C[A[i]]++;
  7. }
  8. for(int i = 1; i < C.length; i++){
  9. C[i] += C[i - 1];
  10. }
  11. for(int i = A.length - 1; i >= 0; i--){
  12. B[C[A[i]] - 1] = A[i]; //将A中该元素放到排序后数组B中指定的位置
  13. C[A[i]]--; //将C中该元素-1,方便存放下一个同样大小的元素
  14. }
  15. return B;
  16. }
  17. }

2. 基数排序

  基数排序的基本思想是:将整数按位数切割成不同的数字,然后按每个位数分别比较。
  具体做法是:将所有待比较数值统一为同样的数位长度,数位较短的数前面补零。然后,从最低位开始,依次进行一次排序。这样从最低位排序一直到最高位排序完成以后, 数列就变成一个有序序列。
  基数排序按照对位数分组的顺序的不同,可以分为LSD(Least significant digit)基数排序和MSD(Most significant digit)基数排序。
LSD基数排序,是按照从低位到高位的顺序进行分组排序。如下图所示。MSD基数排序,是按照从高位到低位的顺序进行分组排序。
  由于一个数的各位、十位、百位等数的范围是0-9,所以用刚刚的计数排序比较快,故基数排序的一种方法可以是:用计数排序分别对待排序数的各位、十位等进行排序;另外,基数排序和可以用桶排序来实现。下面分别给出LSD基数排序的计数排序实现和桶排序实现。MSD实现方式可以参考MSD实现

2.1 LSD基数排序的计数排序实现方式

  • 首先通过get_max(a)获取数组a中的最大值。获取最大值的目的是计算出数组a的最大指数。
  • 获取到数组a中的最大指数之后,再从指数1开始,根据位数对数组a中的元素进行排序。排序的时候采用了计数排序。
  1. public class RadixSort {
  2. //多次调用基数排序对每一位进行排序
  3. public static void sort(int[] nums){
  4. int max = getMax(nums);
  5. for(int exp = 1; max / exp > 0; exp *= 10){
  6. countSort(nums, exp);
  7. }
  8. }
  9. //得到待排序数组中的最大值
  10. private static int getMax(int[] nums){
  11. int max = nums[0];
  12. for(int i = 0; i < nums.length; i++){
  13. if(max < nums[i]){
  14. max = nums[i];
  15. }
  16. }
  17. return max;
  18. }
  19. //计数排序
  20. private static void countSort(int[] A, int exp){
  21. int[] C = new int[10];
  22. int[] B = new int[A.length];
  23. for(int i = 0; i < A.length; i++){
  24. C[A[i] / exp % 10]++;
  25. }
  26. for(int i = 1; i < C.length; i++){
  27. C[i] += C[i-1];
  28. }
  29. for(int i = A.length - 1; i >= 0; i--){
  30. B[C[A[i] / exp % 10] - 1] = A[i];
  31. C[A[i] / exp % 10]--;
  32. }
  33. for(int i = 0; i < A.length; i++){
  34. A[i] = B[i];
  35. }
  36. }
  37. }

2.2 LSD基数排序的桶排序实现方式

  • 首先获得数组的最大值,进而计算需要的最大指数。
  • 建立10个桶,亦即10个数组.
  • 遍历所有元素,取其个位数,个位数是什么就放进对应编号的数组,1放进1号桶。
  • 再依次将元素从桶里最出来,覆盖原数组,或放到一个新数组。
  • 按照上述过程依次去十位数、百位数,直到取完为止。
  1. public class LSDRadisSort {
  2. public static void sort(int[] A){
  3. int max = A[0];
  4. for(int i = 1; i < A.length; i++){
  5. max = A[i] > max ? A[i] : max;
  6. }
  7. int bucketNum = 10; //桶的个数
  8. ArrayList<ArrayList<Integer>> bucketList = new ArrayList<>(bucketNum);
  9. for(int i = 0; i < bucketNum; i++){
  10. bucketList.add(new ArrayList<Integer>());
  11. }
  12. //从低位到高位依次入桶和出桶
  13. for(int exp = 1; max / exp > 0; exp *= 10){
  14. for(int i = 0; i < A.length; i++){
  15. int num = A[i] / exp % 10;
  16. bucketList.get(num).add(A[i]);
  17. }
  18. int j = 0;
  19. for(ArrayList<Integer> arr : bucketList){
  20. for(int i : arr){
  21. A[j++] = i;
  22. }
  23. arr.clear(); //记得清空,否则会有重复元素
  24. }
  25. }
  26. }
  27. }

3. 桶排序

  桶排序的基本思想是:把数组 arr 划分为n个大小相同子区间(桶),每个子区间各自排序,最后合并。

1.找出待排序数组中的最大值max、最小值min
2.我们使用 动态数组ArrayList 作为桶,桶里放的元素也用 ArrayList 存储。桶的数量为(max-min)/arr.length+1
3.遍历数组 arr,计算每个元素 arr[i] 放的桶
4.每个桶各自排序
5.遍历桶数组,把排序好的元素放进输出数组

  1. public class BucketSort {
  2. public static void sort(int[] nums){
  3. //找到最大值和最小值
  4. int max = Integer.MIN_VALUE;
  5. int min = Integer.MAX_VALUE;
  6. for(int i = 0; i < nums.length; i++){
  7. max = Math.max(max, nums[i]);
  8. min = Math.min(min, nums[i]);
  9. }
  10. //桶的个数
  11. int bucketNum = (max - min) / nums.length + 1;
  12. ArrayList<ArrayList<Integer>> bucketArr = new ArrayList<>(bucketNum);
  13. for(int i = 0; i < bucketNum; i++){
  14. bucketArr.add(new ArrayList<Integer>());
  15. }
  16. //将待排序数组的中的数放入合适的桶中
  17. for(int i = 0; i < nums.length; i++){
  18. int num = (nums[i] - min) / nums.length;
  19. bucketArr.get(num).add(nums[i]);
  20. }
  21. //对每个桶进行排序
  22. for(int i = 0; i < bucketArr.size(); i++){
  23. Collections.sort(bucketArr.get(i));
  24. }
  25. //将排序后的结果由ArrayList返回到数组中
  26. int j = 0;
  27. for(ArrayList<Integer> arr : bucketArr){
  28. for(int i : arr){
  29. nums[j++] = i;
  30. }
  31. }
  32. }
  33. }
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