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Learn-Algorithms/6 Sort/README.md
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2021-09-08 00:31:39 +08:00
# 排序算法
2014-05-07 11:24:51 +08:00
2015-11-30 17:59:12 +08:00
**排序的稳定性** 是指对于相等的元素,排序之后,任然保存2个元素的位置没有变,就是稳定的排序,反之就是不稳定排序。
2014-05-07 11:24:51 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
* 交换排序算法
* 桶排序
### 交换排序算法
2015-11-30 17:59:12 +08:00
2021-11-05 10:44:02 +08:00
* 冒泡排序 :没轮确定一个最大的数排后面
* 选择排序 :每轮选择最小的数排前面
2021-11-06 22:03:15 +08:00
* 快排 : 选最后一个作为pivot(基数), 将数据分为 左边小于 pivot, 右边大于 pivot; 分治递归, 二叉树的前序遍历思路
* 归并排序 : 将无序的数组,分成2个子数组分别排序,然后再merge ; 分治递归, 二叉树的后续遍历思路
* 插入排序 :
* 希尔排序 :
2021-11-27 02:39:27 +08:00
* [堆排序](../4%20Tree/8-堆/堆.md) :
2015-11-30 17:59:12 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
### 线性排序算法
2015-11-30 18:21:29 +08:00
2015-11-30 17:59:12 +08:00
* 桶排序
2021-11-06 22:03:15 +08:00
### 小结
常见的排序算法都是比较排序,比较排序的时间复杂度通常为 O(n^2) 或 O(nlogn)
但是如果带排序的数字有一些特俗性时,我们可以根据这来设计更加优化的排序算法。
2021-09-13 14:43:50 +08:00
# 交换排序算法
2015-11-30 17:59:12 +08:00
排序算法的复杂度由 `比较的次数` 和 `交换的次数` 一起决定。
2014-05-07 11:24:51 +08:00
### 直接选择排序
2015-11-30 17:59:12 +08:00
1. 从未排序的序列中选择最小的元素,与放在第一个位置的元素交换
2014-05-07 11:24:51 +08:00
2. 依次类推,直到全部排序
在a【i,n】中最小的元素和 a[i]交换位置。空间复杂度O(1),时间复杂度 O(n^2)
2021-11-06 22:03:15 +08:00
![](./selectsort.gif)
2014-05-07 11:24:51 +08:00
### 冒泡排序
2015-11-30 17:59:12 +08:00
1. 相邻的2各元素比较,大的向后移,经过一轮比较,做大的元素排在最后
2. 第二轮,第二大的元素排倒数第二个位置
3. 直到全部排好
2014-05-07 11:24:51 +08:00
这样,即使是排好序的拿冒泡排序排序,比较的时间复杂度O(n^2)
2021-11-06 22:03:15 +08:00
![](./bubblesort.gif)
2015-11-30 17:59:12 +08:00
2014-05-15 02:14:18 +08:00
### 快速排序
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
时间复杂度 平均复杂度 O(n * logn) , 最坏 O(n^2)
空间复杂度
快速排序是对冒泡排序的改进,划分交换排序。
2014-05-15 02:14:18 +08:00
递归一次,pivot 左边都比它小,右边都比它大。这是递归,分治的思想。
2021-11-06 22:03:15 +08:00
> 快速排序就是个二叉树的前序遍历思路,归并排序就是个二叉树的后序遍历思路
代码框架如下
2021-11-27 02:39:27 +08:00
```C
2021-11-06 22:03:15 +08:00
void quicksort(int *a, int left, int right){
if (left<right){//加上这个,不然有死循环,造成堆栈溢出,这也是递归结束条件
int i = partion(a,left,right);//使得局部有序,i作为分隔
quicksort(a,left,i-1);
quicksort(a,i+1,right);
}
}
```
2021-09-13 14:43:50 +08:00
2014-05-15 02:14:18 +08:00
对 A[p...r] :
2021-09-13 14:43:50 +08:00
0. 选择最后一个元素作为 pivot (基准)
1. 分解:A[p..q-1] A[q+1..r],使得 A[p...q-1]< A[q] <A[q+1..r]
2021-11-06 22:03:15 +08:00
2. 解决:递归调用 快排,对子数组A[p..q-1],A[q+1..r]排序
2014-05-15 02:14:18 +08:00
3. 合并(子问题相互独立的,因此用分治算法就可以了)
具体步骤:
2021-09-13 14:43:50 +08:00
1. 从数列中选择一个元素,作为基准 pivot。通常取分区的最后一个
2014-05-15 02:14:18 +08:00
2. 重排数列,比 pivot 小得排左边,比pivot大的排右边,相等的随便。 一句话就是`挖坑填数`
3. 递归的,使用相同的方式,重排左右两边的子序列
2021-11-06 22:03:15 +08:00
扫描过程分2种:
2014-05-15 02:14:18 +08:00
1. 挖坑排序,2头向中间扫描,先从后向前找,再从前向后找。
2. 单向扫描
2017-05-03 16:43:22 +08:00
```
2014-05-15 02:14:18 +08:00
void quicksort(int *a, int left, int right){
if (left<right)//加上这个,不然有死循环,造成堆栈溢出,这也是递归结束条件
{
int i = partion(a,left,right);//使得局部有序,i作为分隔
quicksort(a,left,i-1);
quicksort(a,i+1,right);
}
}
// 挖坑填数,2边向中间扫描
int partion(int *a, int start,int end){
int i=start,j=end;
int tmp = a[i]; // 这里要做越界检查
while(i<j){
2021-09-13 14:43:50 +08:00
2014-05-15 02:14:18 +08:00
// 从后向前扫描,找到第一个小于tmp的值,来填a[i]
2021-09-13 14:43:50 +08:00
while(i<j && a[j]>=tmp){
2014-05-15 02:14:18 +08:00
j--;
}
if (i<j)//找到了,这时候a[j]为坑
{
a[i++] = a[j];
}
2021-09-13 14:43:50 +08:00
2014-05-15 02:14:18 +08:00
// 从左向右扫描,找一个大于 tmp的 数, 去填坑a[j]
while(i<j && a[i]<tmp){
i++;
}
if (i<j)
{
a[j++]=a[i];
}
}
2021-09-13 14:43:50 +08:00
2014-05-15 02:14:18 +08:00
//扫描完成后,i==j
a[i]=tmp;
return i;
}
2017-05-03 16:43:22 +08:00
```
2014-05-15 02:14:18 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
![](./qsort.gif)
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2015-11-30 17:59:12 +08:00
### 归并排序merge
2021-11-07 00:16:03 +08:00
分治算法(divide-and-conquer),必然用到递归 ;
2015-11-30 17:59:12 +08:00
2个有序数组的合并操作是O(n)的复杂度
因此我们可以将无序的数组,分成2个子数组分别排序,然后再merge,依次类推
2015-12-01 11:15:39 +08:00
归并排序的步骤:
1. 分解。将一个数组分成n/2个子数组,每个序列2个元素,(2路归并)
2. 解决。 将各个子数组都排好序,然后 merge 2个有序数组
2015-11-30 17:59:12 +08:00
3. 合并
2021-11-07 00:16:03 +08:00
归并排序的代码框架,套用二叉树的后续遍历思路,如下:
2021-09-13 14:43:50 +08:00
```
2021-11-27 02:39:27 +08:00
void sort(int[] nums, int low, int high) {
int mid = (low + high) / 2;
sort(nums, low, mid);
sort(nums, mid + 1, high);
2021-09-13 14:43:50 +08:00
/****** 后序遍历位置 ******/
// 合并两个排好序的子数组
2021-11-27 02:39:27 +08:00
merge(nums, low, mid, high);
2021-09-13 14:43:50 +08:00
/************************/
}
2021-11-07 00:16:03 +08:00
2021-11-27 02:39:27 +08:00
2021-11-07 00:16:03 +08:00
//合并连个有序数组; 从后往前merge
public void merge(int[] arr,int low,int mid,int high,int[] tmp){
int i = 0;
int j = low,k = mid+1; //左边序列和右边序列起始索引
while(j <= mid && k <= high){
if(arr[j] < arr[k]){
tmp[i++] = arr[j++];
}else{
tmp[i++] = arr[k++];
}
}
//若左边序列还有剩余,则将其全部拷贝进tmp[]中
while(j <= mid){
tmp[i++] = arr[j++];
}
while(k <= high){
tmp[i++] = arr[k++];
}
for(int t=0;t<i;t++){
arr[low+t] = tmp[t];
}
}
2021-09-13 14:43:50 +08:00
```
2015-11-30 17:59:12 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
![](./mergesort.gif)
### 插入排序
1. 第一个元素算作已经排好
2. 取下一个元素,从已经排好的序列元素中,从后向前扫描
3. 如果排好序的元素大于 新元素,排好序的元素移到下一个位置
4. 重复3,直到直到最后的插入位置
5. 重复2
类似插入扑克牌的效果
最坏的情况: 待排序的是一个逆序排放的数组,这样导致每一轮都要移动元素;此时复杂度是是0(n^2)
最好的情况: 待排序的是一已经顺序排放的数字,此时只需要做一轮比较就够了 0(n)。因此可以看到,**对大部分数据已经有序这样的数组排序,使用`插入排序`非常有优势**
空间复杂度O(1)
### 希尔排序
递减增量排序算法,对`插入排序`的改进,实质是分组插入排序,又叫`缩小增量排序`
1. 先将待排数列分割成若干子序列(增量为m)
2. 对每个子序列使用`插入排序`
3. 减小增量,再排序
4. 对全体元素做一次`插入排序`
`希尔排序`提升排序的奥秘就在于`数据元素越有序,使用插入排序效率越高`
![](./shellsort.gif)
2015-11-30 17:59:12 +08:00
2014-05-08 15:01:56 +08:00
### 堆排序
利用堆这种数据结构设计的一种排序算法
2021-11-07 01:15:35 +08:00
[堆结构参考这里](../4%20Tree/8-堆/堆.md)
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2014-05-09 09:51:52 +08:00
我们来看看如何使用`堆` 来做排序?
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2021-11-07 01:15:35 +08:00
1. 将待排序数列看做一颗完全二叉树的存储结构
2. `堆化数组`,结束后,根a[0]变成了最小的值(小根堆)
2021-11-09 14:25:36 +08:00
3. 取a[0]值,然后对`堆`做删除操作,此时,`堆`会重新 `堆化数组`,a[0]又是下一个最小的值。删除操作通常是先把数组最后的元素提到a[0]位置,然后从根节点开始进行一次从上向下的调整;调整时,先从左右孩子中找最小的交换。如果父节点比每个节点都小就不用调整。因此,在`堆排序`是可以直接让 a[0]和数组最后一个元素互换,但要先保存好a[0],或者a[n-1],这样导致了使用`堆排序`时,递增排序使用大根堆,递减排序使用小根堆。
2014-05-09 09:51:52 +08:00
4. 循环3,就可以按从小到大的顺序取出所有数组元素。
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2021-11-09 14:25:36 +08:00
2021-11-07 01:15:35 +08:00
堆排序主要时间花在建堆期间和`堆化数组`,找数列中最大数只需要O(1)时间复杂度
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2014-05-15 02:14:18 +08:00
void heap_sort(int *a, int length){
// 建立堆 大根堆,递增排序
heap_build(a,length);
for (int i = length-1; i >0; --i)
{
//交换
heap_swop(&a[0],&a[i]);
//调整
heap_adjust(a,i);
}
}
2014-05-10 19:50:03 +08:00
推排序还可以用来求 top-K 大(小)的问题。
2014-05-08 15:01:56 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
#排序动画演示
2015-11-30 17:59:12 +08:00
接下来,我们看一组排序的动画,你看看能不能猜到他们使用了什么排序算法完成。
2014-05-07 11:24:51 +08:00
2015-11-30 18:11:27 +08:00
![](./qsort.gif)
2015-11-30 18:01:28 +08:00
![](./mergesort.gif)
2015-11-30 18:11:27 +08:00
![](./heapsort.gif)
2015-11-30 18:01:28 +08:00
![](./selectsort.gif)
![](./bubblesort.gif)
![](./shellsort.gif)
2014-05-07 11:24:51 +08:00
2015-11-30 18:11:27 +08:00
答案是:
快排 |归并排序|堆排序
选择排序|冒泡排序|希尔排序
2014-05-07 11:24:51 +08:00
2015-11-30 18:34:28 +08:00
国外也有人通过舞蹈的方式编排了几种基本的排序算法,非常有趣。[点这里去看看](http://v.youku.com/v_show/id_XMzMyODk4NTQ4.html?from=s1.8-1-1.2)
2021-09-13 14:43:50 +08:00
# 线性排序算法
2014-05-13 09:19:55 +08:00
2021-11-06 22:03:15 +08:00
上面的算法都是基于比较的排序,时间复杂度最好也是 NlogN. 而非基于比较的排序,可以突破NlogN的时间下限。当然,非比较的排序,也是需要有一些限定条件的。
2014-05-13 09:19:55 +08:00
### 桶排序 bucket sort
2015-11-30 18:21:29 +08:00
比如给全校学生做个分数排序,最大分100分。我们使用一个100个空间的辅助数据,以key为分数,value为命中的次数。通过O(n)复杂度就可以完成排序任务。这种排序方式就是桶排序。
2014-05-15 18:54:16 +08:00
2015-11-30 18:21:29 +08:00
也就是分配一个hash[100]的空间,初始化为0,遍历一遍,出现的数字就hash[k]++,这样再次遍历一次,就可以得到n个数的顺序了。
2014-05-15 18:54:16 +08:00
2014-05-07 11:24:51 +08:00