排序算法
- 交换排序
- 冒泡排序
- 快速排序
- 插入排序
- 直接插入排序
- 希尔排序
- 选择排序
- 简单选择排序
- 堆排序
- 归并排序
- 基数排序
- 桶排序
一、冒泡排序
冒泡排序是一种简单的交换排序算法,以升序排序为例,其核心思想是:
- 从第一个元素开始,比较相邻的两个元素。如果第一个比第二个大,则进行交换。
- 轮到下一组相邻元素,执行同样的比较操作,再找下一组,直到没有相邻元素可比较为止,此时最后的元素应是最大的数。
- 除了每次排序得到的最后一个元素,对剩余元素重复以上步骤,直到没有任何一对元素需要比较为止。
/**
* 冒泡排序
*
* @param arr
*/
public void bubbleSort(int[] arr) {
int tmp;
// 冒泡优化:如果在某一次冒泡过程中,没有发生交换,则证明数组已经是有序的了
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
boolean flag = true;
for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
if (arr[j] < arr[i]) {
flag = false;
tmp = arr[j];
arr[j] = arr[i];
arr[i] = tmp;
}
}
if (flag) {
break;
}
}
}
二、快速排序
快速排序的思想很简单,就是先把待排序的数组拆成左右两个区间,左边都比中间的基准数小,右边都比基准数大。接着左右两边各自再做同样的操作,完成后再拆分再继续,一直到各区间只有一个数为止。
/**
* 快速排序
*
* @param arr
*/
public void quickSort(int[] arr, int low, int high) {
if (low >= high) {
return;
}
int left = low;
int right = high;
int baseIndex = left;
int base = arr[baseIndex];
int tmp;
while (left < right) {
while (arr[right] >= base && left < right) {
// 以base为基准,从右往左找到比基准小的数
right--;
}
while (arr[left] <= base && left < right) {
// 以base为基准,从左往右找到比基准大的数
left++;
}
if (left < right) {
// 左右还没相交,大小对换位置
tmp = arr[left];
arr[left] = arr[right];
arr[right] = tmp;
}
}
// 这一轮快排结束,交换相遇点与基准点,把基准数放在对应的位置上
// 因为要把基准数和相遇点交换,由于if判断包含等于,那么从左往右就会找到比基准数小的数,从右往左就会找到比基准数大的数,会越过基准数
// 因此当基准点小于相遇点时(基准点取第一位数),必须保证从先移动右指针,再移动左指针;当基准点大于相遇点时(基准点取最后一位位数),必须保证从先移动左指针,再移动右指针
// 如果一定要随机基准数,有个简单的改进方法,就是随机一位数,与首位,或最后一位先做一下交换
tmp = arr[baseIndex];
arr[baseIndex] = arr[right];
arr[right] = tmp;
//数组“分两半”,再重复上面的操作
quickSort(arr, low, left - 1);
quickSort(arr, left + 1, high);
}
三、插入排序
插入排序是一种简单的排序方法,其基本思想是将一个记录插入到已经排好序的有序表中,使得被插入数的序列同样是有序的。按照此法对所有元素进行插入,直到整个序列排为有序的过程。
1. 直接插入排序
直接插入排序就是插入排序的粗暴实现。对于一个序列,选定一个下标,认为在这个下标之前的元素都是有序的。将下标所在的元素插入到其之前的序列中。接着再选取这个下标的后一个元素,继续重复操作。直到最后一个元素完成插入为止。我们一般从序列的第二个元素开始操作。
/**
* 插入排序
*
* @param arr
*/
public void insertSort(int[] arr) {
// 从第二个数开始遍历
for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
// 插入的数
int insertNum = arr[i];
// 寻找插入点
int insertIndex = 0;
for (int j = 0; j < i; j++, insertIndex++) {
// 插入点在比插入数大的这一位的前面
if (insertNum < arr[j]) {
break;
}
}
// 从插入点往后依次挪动
for (int j = i; j >= insertIndex; j--) {
if (j > 0) {
arr[j] = arr[j - 1];
}
}
// 最后插入数据
arr[insertIndex] = insertNum;
}
}
插入排序对已经排好序的数组操作时,效率很高
2. 希尔排序
某些情况下直接插入排序的效率极低。比如一个已经有序的升序数组,这时再插入一个比最小值还要小的数,也就意味着被插入的数要和数组所有元素比较一次。我们需要对直接插入排序进行改进。
我们可以试着先将数组变为一个相对有序的数组,然后再做插入排序。
希尔排序的步骤简述如下:
- 把元素按步长gap分组,gap的数值其实就是分组的个数。gap的起始值为数列长度的一半,每循环一轮gap减为原来的一半。
- 对每组元素采用直接插入排序算法进行排序。
- 随着步长逐渐减小,组就越少,组中包含的元素就越多。
- 当步长值减小到1时,整个数据合成一组,最后再对这一组数列用直接插入排序进行最后的调整,最终完成排序。
我们以无序数列[5,8,6,3,9,2,1,7,,4]为例,详细介绍希尔排序的步骤:
(1). 第一轮排序,gap = length/2 = 4,即将数组分成4组。四组元素分别为[5,9,4]、[8,2]、[6,1]、[3,,7]。对四组元素分别进行排序结果为:[4,5,9]、[2,8]、[1,6]、[3,7]。将四组排序结果进行合并,得到第一轮的排序结果为:[4,2,1,3,5,8,6,7,9]。如下图所示。
(2). 第二轮排序,gap = 2,将数列分成2组。两组的元素分别是[4,1,5,6,9]和[2,3,8,,7]。这两个组分别执行直接插入排序后的结果为[1,4,5,6,9]和[2,3,7,8]。将两组合并后的结果为[1,2,4,3,5,7,6,8,9],如下图所示。
(3). 第三轮排序,gap = 1,数组就变成了一组。该组的元素是[1,2,4,3,5,7,6,8,9],这个组执行直接插入排序后结果为[1,2,3,4,5,6,7,8,9],这个结果就是第三轮排序后得到的结果。此时排序完成,如下图所示。
public void shellSort(int[] arr) {
// gap 为步长,每次减为原来的一半。
for (int gap = arr.length / 2; gap > 0; gap /= 2) {
// 对每一组都执行直接插入排序
for (int i = 0 ;i < gap; i++) {
// 对本组数据执行直接插入排序
for (int j = i + gap; j < arr.length; j += gap) {
// 如果 a[j] < a[j-gap],则寻找 a[j] 位置,并将后面数据的位置都后移
if (arr[j] < arr[j - gap]) {
int k;
int temp = arr[j];
for (k = j - gap; k >= 0 && arr[k] > temp; k -= gap) {
arr[k + gap] = arr[k];
}
arr[k + gap] = temp;
}
}
}
}
}
四、选择排序
1. 简单选择排序
选择排序思想的暴力实现,每一趟从未排序的区间找到一个最小元素,并放到第一位,直到全部区间有序为止。
public void selectSort(int[] arr) {
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
// 遍历数据
int minIndex = i;
for (int j = i + 1; j < arr.length; j++) {
// 从当前位置往后遍历,找到最小数的下标
if (arr[j] < arr[minIndex]) {
minIndex = j;
}
}
// 最小数的下标不是第一个数,那么就把最小下标和第一个数做交换
if (i != minIndex) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[minIndex];
arr[minIndex] = temp;
}
}
}
2. 堆排序
对于任何一个数组都可以看成一颗完全二叉树。堆是具有以下性质的完全二叉树
- 大顶堆:每个结点的值都大于或等于其左右孩子结点的值
- 小顶堆:每个结点的值都小于或等于其左右孩子结点的值
像上图的大顶堆,映射为数组,就是 [50, 45, 40, 20, 25, 35, 30, 10, 15]。可以发现第一个下标的元素就是最大值,将其与末尾元素交换,则末尾元素就是最大值。所以堆排序的思想可以归纳为以下两步:
- 将待排序的数组初始化为大顶堆,该过程即建堆。
- 将堆顶元素与最后一个元素进行交换,除去最后一个元素外可以组建为一个新的大顶堆。
- 由于第二部堆顶元素跟最后一个元素交换后,新建立的堆不是大顶堆,需要重新建立大顶堆。重复上面的处理流程,直到堆中仅剩下一个元素。
重复以上两个步骤,直到没有元素可操作,就完成排序了。
我们需要把一个普通数组转换为大顶堆,调整的起始点是最后一个非叶子结点,然后从左至右,从下至上,继续调整其他非叶子结点,直到根结点为止。
/**
* 堆排序
*
* @param arr
*/
public void heapSort(int[] arr) {
// 开始位置是最后一个非叶子结点,即最后一个结点的父结点
int start = (arr.length - 1) / 2;
// 调整为大顶堆
for (int i = start; i >= 0; i--) {
maxHeap(arr, arr.length, i);
}
// 先把数组中第 0 个位置的数和堆中最后一个数交换位置,再把前面的处理为大顶堆
for (int i = arr.length - 1; i > 0; i--) {
int temp = arr[0];
arr[0] = arr[i];
arr[i] = temp;
maxHeap(arr, i, 0);
}
}
/**
* 转化为大顶堆
*
* @param arr 待转化的数组
* @param size 待调整的区间长度
* @param index 结点下标
*/
public void maxHeap(int[] arr, int size, int index) {
// 左子结点
int leftNode = 2 * index + 1;
// 右子结点
int rightNode = 2 * index + 2;
int max = index;
// 和两个子结点分别对比,找出最大的结点
if (leftNode < size && arr[leftNode] > arr[max]) {
max = leftNode;
}
if (rightNode < size && arr[rightNode] > arr[max]) {
max = rightNode;
}
// 交换位置
if (max != index) {
int temp = arr[index];
arr[index] = arr[max];
arr[max] = temp;
// 因为交换位置后有可能使子树不满足大顶堆条件,所以要对子树进行调整
maxHeap(arr, size, max);
}
}
五、归并排序
归并排序是建立在归并操作上的一种有效,稳定的排序算法。该算法采用分治法的思想,是一个非常典型的应用。归并排序的思路如下:
- 将 n 个元素分成两个各含 n/2 个元素的子序列
- 借助递归,两个子序列分别继续进行第一步操作,直到不可再分为止
- 此时每一层递归都有两个子序列,再将其合并,作为一个有序的子序列返回上一层,再继续合并,全部完成之后得到的就是一个有序的序列
关键在于两个子序列应该如何合并。假设两个子序列各自都是有序的,那么合并步骤就是:
- 创建一个用于存放结果的临时数组,其长度是两个子序列合并后的长度
- 设定两个指针,最初位置分别为两个已经排序序列的起始位置
- 比较两个指针所指向的元素,选择相对小的元素放入临时数组,并移动指针到下一位置
- 重复步骤 3 直到某一指针达到序列尾
- 将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾
/**
* 合并数组
*/
public void merge(int[] arr, int low, int middle, int high) {
// 用于存储归并后的临时数组
int[] temp = new int[high - low + 1];
// 记录第一个数组中需要遍历的下标
int i = low;
// 记录第二个数组中需要遍历的下标
int j = middle + 1;
// 记录在临时数组中存放的下标
int index = 0;
// 遍历两个数组,取出小的数字,放入临时数组中
while (i <= middle && j <= high) {
// 第一个数组的数据更小
if (arr[i] <= arr[j]) {
// 把更小的数据放入临时数组中
temp[index] = arr[i];
// 下标向后移动一位
i++;
} else {
temp[index] = arr[j];
j++;
}
index++;
}
// 处理剩余未比较的数据
while (i <= middle) {
temp[index] = arr[i];
i++;
index++;
}
while (j <= high) {
temp[index] = arr[j];
j++;
index++;
}
// 把临时数组中的数据重新放入原数组
for (int k = 0; k < temp.length; k++) {
arr[k + low] = temp[k];
}
}
/**
* 归并排序
*/
public void mergeSort(int[] arr, int low, int high) {
int middle = (high + low) / 2;
if (low < high) {
// 处理左边数组
mergeSort(arr, low, middle);
// 处理右边数组
mergeSort(arr, middle + 1, high);
// 归并
merge(arr, low, middle, high);
}
}
六、基数排序
基数排序的原理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。为此需要将所有待比较的数值统一为同样的数位长度,数位不足的数在高位补零。
/**
* 基数排序
*
* @param arr
*/
public void radixSort(int[] arr) {
// 存放数组中的最大数字
int max = Integer.MIN_VALUE;
for (int value : arr) {
if (value > max) {
max = value;
}
}
// 计算最大数字是几位数
int maxLength = (max + "").length();
// 用于临时存储数据(0-9)
int[][] temp = new int[10][arr.length];
// 用于记录在 temp 中相应的下标存放数字的数量(0-9)
int[] counts = new int[10];
// 根据最大长度的数决定比较次数(从低位往高位以此比较)
for (int i = 0, n = 1; i < maxLength; i++, n *= 10) {
// 每一个数字分别计算余数
for (int value : arr) {
// 计算余数
int remainder = value / n % 10;
// 把当前遍历的数据放到指定的数组中
temp[remainder][counts[remainder]] = value;
// 记录数量
counts[remainder]++;
}
// 记录取的元素需要放的位置
int index = 0;
// 把数字取出来
for (int k = 0; k < counts.length; k++) {
// 记录数量的数组中当前余数记录的数量不为 0
if (counts[k] != 0) {
// 循环取出元素
for (int l = 0; l < counts[k]; l++) {
arr[index] = temp[k][l];
// 记录下一个位置
index++;
}
// 把数量置空
counts[k] = 0;
}
}
}
}
七、桶排序
桶排序(Bucket Sort)又称箱排序,是一种比较常用的排序算法。其算法原理是将数组分到有限数量的桶里,再对每个桶分别排好序(可以是递归使用桶排序,也可以是使用其他排序算法将每个桶分别排好序),最后一次将每个桶中排好序的数输出。
桶排序的思想就是把待排序的数尽量均匀地放到各个桶中,再对各个桶进行局部的排序,最后再按序将各个桶中的数输出,即可得到排好序的数。
- 首先确定桶的个数。因为桶排序最好是将数据均匀地分散在各个桶中,那么桶的个数最好是应该根据数据的分散情况来确定。首先找出所有数据中的最大值mx和最小值mn;根据mx和mn确定每个桶所装的数据的范围 size,有size = (mx - mn) / n + 1,n为数据的个数,需要保证至少有一个桶,故而需要加个1;
求得了size即知道了每个桶所装数据的范围,还需要计算出所需的桶的个数cnt,有cnt = (mx - mn) / size + 1,需要保证每个桶至少要能装1个数,故而需要加个1;
- 求得了size和cnt后,即可知第一个桶装的数据范围为 [mn, mn + size),第二个桶为 [mn + size, mn + 2 * size),…,以此类推因此步骤2中需要再扫描一遍数组,将待排序的各个数放进对应的桶中。
- 对各个桶中的数据进行排序,可以使用其他的排序算法排序,例如快速排序;也可以递归使用桶排序进行排序;
- 将各个桶中排好序的数据依次输出,最后得到的数据即为最终有序。
/**
* 桶排序
*
* @param arr
*/
public void bucketSort(int[] arr) {
int n = arr.length;
int mn = arr[0], mx = arr[0];
// 找出数组中的最大最小值
for (int i = 1; i < n; i++) {
mn = Math.min(mn, arr[i]);
mx = Math.max(mx, arr[i]);
}
// 每个桶存储数的范围大小,使得数尽量均匀地分布在各个桶中,保证最少存储一个
int size = (mx - mn) / n + 1;
// 桶的个数,保证桶的个数至少为1
int cnt = (mx - mn) / size + 1;
// 声明cnt个桶
List<Integer>[] buckets = new List[cnt];
for (int i = 0; i < cnt; i++) {
buckets[i] = new ArrayList<>();
}
// 扫描一遍数组,将数放进桶里
for (int k : arr) {
int idx = (k - mn) / size;
buckets[idx].add(k);
}
// 对各个桶中的数进行排序,这里用库函数快速排序
for (int i = 0; i < cnt; i++) {
// 默认是按从小打到排序
// 这里可以用任何的方式排序,这里直接用List的sort方法
buckets[i].sort(null);
}
// 依次将各个桶中的数据放入返回数组中
int index = 0;
for (int i = 0; i < cnt; i++) {
for (int j = 0; j < buckets[i].size(); j++) {
arr[index++] = buckets[i].get(j);
}
}
}
排序算法对比
排序算法 | 时间复杂度(平均) | 时间复杂度(最坏) | 时间复杂度(最好) | 空间复杂度 | 稳定性 |
---|---|---|---|---|---|
冒泡排序 | O(n2) | O(n2) | O(n) | O(1) | 稳定 |
选择排序 | O(n²) | O(n²) | O(n²) | O(1) | 不稳定 |
插入排序 | O(n²) | O(n²) | O(n) | O(1) | 稳定 |
快速排序 | O(nlogn) | O(n²) | O(nlogn) | O(nlogn) | 不稳定 |
堆排序 | O(nlogn) | O(nlogn) | O(nlogn) | O(1) | 不稳定 |
希尔排序 | O(n^1.3) | O(n²) | O(n) | O(1) | 不稳定 |
归并排序 | O(nlogn) | O(nlogn) | O(nlogn) | O(n) | 稳定 |
基数排序 | O(d(n+k)) | O(d(n+k)) | O(d(n+k)) | O(n+k) | 稳定 |
桶排序 | O(n+k) | O(n²) | O(n) | O(n+k) | 稳定 |
参考资料:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxMjY5NDU2Ng==&mid=2651862169&idx=1&sn=e011e79ff77736dfb389084bb3a20d37&chksm=804971d0b73ef8c649d7c9b08706f3c33b0e10c3935e24982337b05d69f1487ace072fbd48d9&scene=27