算法导论之排序：快速排序、归并排序、计数排序、基数排序、桶排序

怼烎@ 2022-07-28 05:06 264阅读 0赞

**问题描述：**

输入：一个n个数的序列<a1,a2,a3,a4,a5,……,an>。

输出：输入序列的一个排列<a1',a2',a3',a4',……,an'>。

**相关知识：**

关键字：排序问题中要排序的值。

卫星数据：与关键字一同存储的值，如map中的key和value。

**快速排序：**

快速排序在最坏情况下的时间复杂度为θ(n^2)，但是它的期望时间复杂度是θ(nlgn)，而且θ(nlgn)中隐含的常数因子非常小。并且快速排序是原址排序的。

分解：将数组A\[p..r\]划分为两个子数组A\[p..q-1\]和A\[q+1..r\]，使A\[p..q-1\]中元素都小于等于A\[q\]，而A\[q\]小于等于A\[q+1..r\]中的每一个元素。

解决：通过递归调用快速排序，对子数组A\[p..q-1\]和A\[q+1..r\]进行排序。

合并：因为子数组都是原址排序的，所以不需要合并操作。

代码的实现如下：

package algorithms;
    
    import java.util.Random;
    
    public class QuickSort {
    
    	public QuickSort() {
    	}
    
    	public static void doQuickSort(int A[], int left, int right) {
    		if (left >= right) {
    			return;
    		}
    		int partition = doPartition(A, left, right);
    		doQuickSort(A, left, partition - 1);
    		doQuickSort(A, partition + 1, right);
    		return;
    	}
    
    	private static int doPartition(int[] A, int left, int right) {
    		int i = left - 1;
    		int x = A[right];
    		int temp;
    		for (int j = left; j < right; j++) {
    			if (A[j] <= x) {
    				i++;
    				if (i != j) {// 线程测试这里if对执行性能的影响
    					temp = A[i];
    					A[i] = A[j];
    					A[j] = temp;
    				}
    			}
    		}
    		temp = A[i + 1];
    		A[i + 1] = A[right];
    		A[right] = temp;
    		return i + 1;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		long start = System.currentTimeMillis();
    		int[] A = new int[1000];
    		Random random = new Random();
    		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    			A[i] = random.nextInt(1000);
    		}
    		doQuickSort(A, 0, A.length - 1);
    		Thread t = new Thread(new Runnable() {
    
    			@Override
    			public void run() {
    				System.out.println("this is test thread");
    
    			}
    		});
    		t.start();
    		Thread.sleep(100);
    		t.join();
    		long end = System.currentTimeMillis();
    		System.out.println(end - start);
    
    	}
    
    }

**快速排序的随机化：**

与始终采用A\[r\]作为主元素的方法不同，随机抽样从子数组中随机选择一个元素作为主元。

对PARTITION和QUICKSORT的更改比较少，只需要随机生成一个主元就可以，代码如下：

private static int doRandomPartition(int[] A, int left, int right) {
    		Random random = new Random();
    		int i = left + random.nextInt(right-left);
    		int temp = A[right];
    		A[right]=A[i];
    		A[i]=temp;
    		return doPartition(A, left, right);
    	}

然后QUICKSORT调用这个doRandomPartition函数。

快速排序的随机化版本的期望运行时间是O(nlgn)。

**归并排序：**

分解：分解步骤仅仅计算子数组的中间位置，需要常量的时间，因此为θ(1)。

解决：我们递归的求解两个规模均为n/2的子问题，将贡献2T(n/2)的时间。

合并：一个具有n个元素的子数组的MERGE过程需要θ(n)的时间。

可以推出时间复杂度的函数关系为：

θ(1)				N=1
    T(N)=
    		2T(N/2)+θ(N)		N>1

根据主方法可以求得归并排序的时间复杂度是θ(nlgn)。实现的代码如下：

package algorithms;
    
    public class MergeSort {
    
    	public MergeSort() {
    		// TODO Auto-generated constructor stub
    	}
    	
    	public static void doMergeSortII(int[] A, int m, int n){
    		if (m == n) {
    			return ;
    		}
    		int mid = (m + n)/2;
    		doMergeSortII(A, m, mid);
    		doMergeSortII(A, mid+1, n);
    		int index = mid + 1,mark = 0,i = m;
    		int[] B = new int[n-m+1];
    		while(i <= mid && index <= n) {
    			if (A[i] > A[index])
    				B[mark++] = A[index++];
    			else 
    				B[mark++] = A[i++];
    		}
    		while (i <= mid) {
    			B[mark++]= A[i++];
    		}
    		while (index <= n) {
    			B[mark++]= A[index++];
    		}
    		for (int j = 0; j < B.length; j++) {
    			A[j+m]=B[j];
    		}
    		return ;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		int[] A = new int[]{0,9,8,7,6,5,4,3,2,1};
    		doMergeSortII(A, 0, A.length-1);
    		for (int i : A) {
    			System.out.print(i + ",");
    		}
    
    	}
    
    }

接下来是三种线性时间复杂度的排序算法：计数排序、基数排序、桶排序。这些算法不是通过比较来排序的。

**计数排序：**

基本思想：对每一个输入元素x，确定小于x的元素的个数。（假设数据都是属于一个小区间的整数）

利用这一信息，可以直接把x放到它在输出数组中的位置上。代码如下：

package algorithms;
    
    import java.util.Random;
    
    public class CountSort {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		int A[]=new int[100];
    		Random random = new Random();
    		for (int i = 0; i < A.length; i++) {
    			A[i]=random.nextInt(100);
    		}
    		int B[] = new int[A.length];
    		doCountSort(A, B, A.length);
    		for (int i : B) {
    			System.out.print(i + "->");
    		}
    
    	}
    
    	private static void doCountSort(int[] a, int[] b, int k) {
    		int c[] = new int[k]; // c的长度受a中最大元素值的影响
    		for (int i = 0; i < c.length; i++) {
    			c[i] = 0;
    		}
    		for (int i = 0; i < a.length; i++) {
    			c[a[i]] += 1;
    		}
    		for (int i = 1; i < c.length; i++) {
    			c[i] += c[i - 1];
    		}
    		for (int i = a.length - 1; i >= 0; i--) {
    			b[c[a[i]] - 1] = a[i];
    			c[a[i]]--;
    		}
    		return;
    		//计数排序用空间换时间
    	}
    
    }

计数排序的时间复杂度是θ(n+k)。并且是稳定排序。

**基数排序：**

从最低位开始进行排序，依次往前进一位。

基数排序的时间复杂度是θ(d\*(n+k))。并且是稳定排序。

**桶排序：**

桶排序假设输入的数据服从均匀分布，平均情况下它的时间代价为O(n)。（假设输入是一个随机的过程产生的，该过程将元素均匀、独立地分布到\[0,1\]区间上）

桶排序需要一个临时的数组来存放链表（即桶），在实现上我用arraylist来替代了链表的一些操作。代码如下：

package algorithms;
    
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.Collections;
    import java.util.Comparator;
    import java.util.Random;
    
    public class BuckerSort {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		Random random = new Random();
    		double A[] = new double[100];
    		for (int i = 0; i < A.length; i++) {
    			A[i] = random.nextInt(100) / 100.0;//自动转型为double
    		}
    		doBucketSort(A);
    
    		for (double d : A) {
    			System.out.println(d);
    		}
    	}
    
    	private static void doBucketSort(double[] a) {
    		node b[] = new node[50];
    		for (int i = 0; i < b.length; i++) {
    			b[i] = new node();
    		}
    		for (int i = 0; i < a.length; i++) {
    			node temp = new node();
    			temp.num = a[i];
    			temp.next = b[(int) (50 * a[i])].next;
    			b[(int) (50 * a[i])].next = temp;
    		}
    		int j = 0;
    		for (int i = 0; i < b.length; i++) {
    			node n = b[i].next;
    			ArrayList<node> al = new ArrayList<>();
    			while (n != null) {
    				al.add(n);
    				n = n.next;
    			}
    			Collections.sort(al, new comparenode());
    			for (node node : al) {
    				a[j] = node.num;
    				j++;
    			}
    		}
    
    	}
    
    	static class node {
    		node next = null;
    		double num = 0;
    	}
    
    	static class comparenode implements Comparator<node> {
    
    		@Override
    		public int compare(node o1, node o2) {
    			if (o1.num > o2.num) {
    				return 1;
    			}
    			return -1;
    		}
    
    	}
    }

桶排序的时间复杂度是 θ(n)。

**总结：**

如下图：

![20160330220732920][]

下图来自百度百科

![20160330220753202][]

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[20160330220753202]: /images/20220727/3d32aaca366a4f1a81b6112567f1a66e.png