排序是演算法的必修課 也是基礎的第一課 排序的花樣非常多,一般在演算法或者程式設計中直接用系統內建函式,不自己寫,但是作為練習和演算法思想還是得學一下 |
氣泡排序
氣泡排序(Bubble Sort)是基於交換的排序,每次遍歷需要排序的元素,依次比較相鄰的兩個元素的大小,如果前一個元素大於後一個元素則兩者交換,保證最後一個數字一定是最大的(假設按照從小到大排序),即最後一個元素已經排好序,下一輪只需要保證前面 n-1
個元素的順序即可。
之所以稱為冒泡,是因為最大/最小的數,每一次都往後面冒,就像是水裡面的氣泡一樣。
排序(假設從小到大)的步驟如下:
- 從頭開始,比較相鄰的兩個數,如果第一個數比第二個數大,那麼就交換它們位置。
- 從開始到最後一對比較完成,一輪結束後,最後一個元素的位置已經確定。
- 除了最後一個元素以外,前面的所有未排好序的元素重複前面兩個步驟。
- 重複前面 1 ~ 3 步驟,直到所有元素都已經排好序。
例如,我們需要對陣列 [98,90,34,56,21]
進行從小到大排序,每一次都需要將陣列最大的移動到陣列尾部。
交換具體邏輯如下圖所示:
接下來兩輪排序確定好了第二個和第三個的位置,其實這個陣列已經完成排序了,一共 5 個數,冒泡 4 次即可。
紫色表示已經排好的元素,橙紅色表示正在比較/交換的元素,可以看出前面兩次排序之後,已經確定好了最大兩個數的位置。
氣泡排序Java程式碼
檢視程式碼
public class BubbleSort {
public static void bubbleSort(int[] nums) {
int size=nums.length;
for(int i=0;i<size-1;i++) {
System.out.println("第"+(i+1)+"輪交換開始");
for(int j=0;j<size-1-i;j++) {
if(nums[j]>nums[j+1]) {
int temp=nums[j+1];
nums[j+1]=nums[j];
nums[j]=temp;
}
printf(nums);
}
}
}
public static void printf(int[] nums) {
for (int num : nums) {
System.out.print(num + " ");
}
System.out.println("");
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[]nums = new int[]{98,90,34,56,21};
printf(nums);
bubbleSort(nums);
}
}
氣泡排序Java程式碼執行結果
選擇排序
前面說的氣泡排序是每一輪比較確定最後一個元素,中間過程不斷地交換。而選擇排序就是每次選擇剩下的元素中最小的那個元素,與當前索引位置的元素交換,直到所有的索引位置都選擇完成。
排序的步驟如下:
- 從第一個元素開始,遍歷其後面的元素,找出其後面比它更小的且最小的元素,若有,則兩者交換,保證第一個元素最小。
- 對第二個元素一樣,遍歷其後面的元素,找出其後面比它更小的且最小的元素,若存在,則兩者交換,保證第二個元素在未排序的數中(除了第一個元素)最小。
- 依次類推,直到最後一個元素,那麼陣列就已經排好序了。
比如,現在我們需要對 [98,90,34,56,21]
進行排序,動態排序過程如下:
前面兩輪選擇排序已經分別將 21 和 34 選擇出來,放到最前面的位置。
剩下的排序是確定 56 和 90 的位置,最後一個 98 自然就是最大的數,不需要再排序。
選擇排序Java程式碼
檢視程式碼
public class SelectionSort {
public static void printf(int[] nums) {
for (int num : nums) {
System.out.print(num + " ");
}
System.out.println("");
}
public static void selectionSort(int []nums) {
int times=0;
int size=nums.length;
int minIndex,temp;
for(int i=0;i<size-1;i++) {
System.out.print("第" + (i + 1) + "輪選擇開始:");
minIndex=i;
for(int j=i+1;j<size;j++) {
times++;
if(nums[j]<nums[minIndex]) {
minIndex=j;
}
}
System.out.println("交換 "+nums[i]+"和"+nums[minIndex]);
temp=nums[i];
nums[i]=nums[minIndex];
nums[minIndex]=temp;
printf(nums);
}
System.out.println("比較次數:"+times);
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[]nums = new int[]{98,90,34,56,21};
printf(nums);
selectionSort(new int[]{98,90,34,56,21});
}
}
選擇排序Java程式碼執行結果
插入排序
選擇排序是每次選擇出最小的放到已經排好的陣列後面,而插入排序是依次選擇一個元素,插入到前面已經排好序的陣列中間,確保它處於正確的位置,當然,這是需要已經排好的順序陣列不斷移動。步驟描述如下:
- 從第一個元素開始,可以認為第一個元素已經排好順序。
- 取出後面一個元素
n
,在前面已經排好順序的陣列裡從尾部往頭部遍歷,假設正在遍歷的元素為nums[i]
,如果num[i]
>n
,那麼將nums[i]
移動到後面一個位置,直到找到已經排序的元素小於或者等於新元素的位置,將n
放到新騰空出來的位置上。如果沒有找到,那麼nums[i]
就是最小的元素,放在第一個位置。 - 重複上面的步驟 2,直到所有元素都插入到正確的位置。
以陣列 [98,90,34,56,21]
為例,動態排序過程如下:
具體的排序過程如下:
第一次假設第一個元素已經排好,第二個元素 90 往前面查詢插入位置,正好查詢到 98 的位置插入,第二輪是 34 選擇插入位置,選擇了第一個元素 90 的位置插入,其後面的元素後移。
第三輪排序則是 56 選擇適合自己的位置插入,第四輪是最後一個元素 21 往前查詢適合的位置插入:
插入排序Java程式碼
檢視程式碼
public class InsertionSort {
public static void printf(int[] nums) {
for (int num : nums) {
System.out.print(num + " ");
}
System.out.println("");
}
public static void insertionSort(int[] nums) {
if(nums==null) {
return;
}
int size=nums.length;
int index,temp;
for(int i=1;i<size;i++) {
// 當前選擇插入的元素前面一個索引值
index=i-1;
// 當前需要插入的元素
temp=nums[i];
while(index>=0&&nums[index]>temp) {
nums[index+1]=nums[index];
index--;
}
// 插入空出來的位置
nums[index+1]=temp;
System.out.print("第" + (i) + "輪插入結果:");
printf(nums);
}
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[]nums = new int[]{98,90,34,56,21};
printf(nums);
insertionSort(nums);
}
}
插入排序Java程式碼執行結果
希爾排序
希爾排序(Shell's Sort)又稱“縮小增量排序”(Diminishing Increment Sort),是插入排序的一種更高效的改進版本,同時該演算法是首次衝破 O(n^2) 的演算法之一。
插入排序的痛點在於不管是否是大部分有序,都會對元素進行比較,如果最小數在陣列末尾,想要把它移動到陣列的頭部是比較費勁的。希爾排序是在陣列中採用跳躍式分組,按照某個增量 gap
進行分組,分為若干組,每一組分別進行插入排序。再逐步將增量 gap
縮小,再每一組進行插入排序,迴圈這個過程,直到增量為 1。
希爾排序基本步驟如下:
- 選擇一個增量
gap
,一般開始是陣列的一半,將陣列元素按照間隔為gap
分為若干個小組。 - 對每一個小組進行插入排序。
- 將
gap
縮小為一半,重新分組,重複步驟 2(直到gap
為 1 的時候基本有序,稍微調整一下即可)。
以陣列 [98,90,34,56,21,11,43,61]
為例子
同樣以陣列 [98,90,34,56,21,11,43,61]
為例子,元素個數為 8,首次 gap 為 4,元素分為 4 組,同顏色視為一組,對相同顏色進行插入排序,這樣保證了大致位置上大的元素在後面,小的元素在前面。
第二輪希爾排序,gap = 4/2 = 2,則元素可以分為兩組,同顏色視為一組,仍是對同組的進行插入排序:
最後一輪,gap= 2/2 =1,則所有元素視為一組,相當於對所有元素進行插入排序,這時候元素已經基本有序,只需要做小範圍的調整即可。
希爾排序是非穩定排序演算法,每一組的排序,都確保了這一組的資料基本有序,整體上也是基本有序。
希爾排序Java程式碼
檢視程式碼
public class ShellSort {
public static void printf(int[] nums) {
for (int num : nums) {
System.out.print(num + " ");
}
System.out.println("");
}
public static void shellSort(int[] nums) {
int times=1;
for(int gap=nums.length/2;gap>0;gap/=2) {
System.out.print("第" + (times++) + "輪希爾排序, gap= " + gap + " ,結果:");
for(int i = gap;i<nums.length;i++) {
int j=i;
int temp=nums[j];
if(nums[j]<nums[j-gap]) {
while(j-gap>=0&&temp<nums[j-gap]) {
nums[j]=nums[j-gap];
j-=gap;
}
nums[j]=temp;
}
}
printf(nums);
}
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[] nums = new int[]{98, 90, 34, 56, 21, 11, 43, 61};
printf(nums);
shellSort(nums);
}
}
希爾排序Java程式碼執行結果
快速排序
快速排序比較有趣,選擇陣列的一個數作為基準數,一趟排序,將陣列分割成為兩部分,一部分均小於/等於基準數,另外一部分大於/等於基準數。然後分別對基準數的左右兩部分繼續排序,直到陣列有序。這體現了分而治之的思想,其中還應用到挖坑填數的策略。
演算法的步驟如下:
- 從陣列中挑一個元素作為基準數,一般情況下我們選擇第一個
nums[i]
,儲存為standardNum
,可以理解為nums[i]
坑位的數被拎出來了,留下空的坑位。 - 取陣列的左邊界索引指標
i
,右邊界索引指標j
,j
從右邊往左邊,尋找到比standardNum
小的數,停下來,寫到nums[i]
的坑位,nums[j]
的坑位空出來。 索引指標i
從左邊往右邊找,尋找比standardNum
大的數,停下來,寫到nums[j]
的坑位,這個時候,num[i]
的坑位空出來(前提是i
和j
不相撞)。 - 上面的
i
和j
迴圈步驟 2,直到兩個索引指標i
和j
相撞,將基準值standardNum
寫到坑位nums[i]
中,這時候,standardNum
左邊的數都小於等於它本身,右邊的數都大於等於它本身。 - 分別對
standardNum
左邊的子陣列和右邊的子陣列,迴圈執行前面的 1,2,3,直到不可再分,並且有序。
以陣列 [61,90,34,56,21,11,43,68]
為例,動態排序過程如下:
第一輪排序是所有元素,以第一個數 61 為基準值,排序完成則左邊的數都小於等於 61,右邊的數都大於等於 61。
分別對 61 左邊的數 [ 43,11,34,56,21 ]
和右邊的數 [ 90,68 ]
分別進行快速排序,這裡體現了分治的思想。首先我們來看左邊 [ 43,11,34,56,21 ]
的排序。
左邊又確定了以 43 為分割的陣列 [ 21,11,34 ]
以及 [ 64 ]
,由於遞迴的原因,再次先對左邊 [ 21,11,34 ]
進行排序:
左邊 [ 21,11,34 ]
排序後,以 21 為分割線,左右各自只有一個數,自然已經停止,上面 43 的右邊也只有一個元素,所以也已經是有序的。
至此,61 以及左邊都是有序的,再對 61 右邊的 [ 90,68 ]
進行快速排序:
快速排序也就完成了
快速排序Java程式碼
檢視程式碼
public class QuickSort {
public static void printf(int[] nums) {
for (int num : nums) {
System.out.print(num + " ");
}
System.out.println("");
}
public static void quickSort(int[] nums) {
quickSort(nums,0,nums.length-1);
}
public static void quickSort(int nums[],int left,int right) {
System.out.println("[left,right]:["+left+","+right+"]");
if(left<right) {
int i=left,j=right,standardNum=nums[left];
while(i<j) {
while(i<j&&nums[j]>=standardNum) {
j--;
}
System.out.print("standardNum:"+standardNum+",第1個小於等於standardNum的數:"+nums[j]);
if(i<j) {
nums[i]=nums[j];
i++;
}
while(i<j&&nums[i]<standardNum) {
i++;
}
System.out.println(",第1個大於等於standardNum的數:"+nums[i]);
if(i<j) {
nums[j]=nums[i];
j--;
}
}
nums[i]=standardNum;
printf(nums);
quickSort(nums,left,i-1);
printf(nums);
quickSort(nums,i+1,right);
}
}
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
int[] nums = new int[]{61, 90, 34, 56, 21, 11, 43, 68};
printf(nums);
quickSort(nums);
}
}
快速排序Java程式碼執行結果
實驗總結
前面學習了五種排序演算法,它們的複雜度以及特點在這裡總結一下:
- 氣泡排序:基本最慢,時間複雜度最好為 O(n),最壞為 O(n2),平均時間複雜度為 O(n2),空間複雜度為 O(1),穩定排序演算法。
- 選擇排序:時間複雜度很穩定,最好最壞或者平均都是 O(n2),空間複雜度為 O(1),可以做到穩定排序。
- 插入排序:時間複雜度最好為 O(n),最壞為 O(n2),平均時間複雜度為 O(n2),空間複雜度為 O(1),穩定排序演算法。
- 希爾排序:希爾增量下最壞的情況時間複雜度是 O(n2),最好的時間複雜度是 O(n) (也就是陣列已經有序),平均時間複雜度是 O(n3/2),屬於不穩定排序。
- 快速排序:時間複雜度最差的情況是 O(n2),平均時間複雜度為 O(nlogn),空間複雜度,雖然快排本身沒有申請額外的空間,但是遞迴需要使用棧空間,遞迴數的深度是 log2n,空間複雜度也就是 O( log2n),屬於不穩定排序。
每一種排序,都有其優缺點,我們應該根據場景選擇合適的排序演算法。
關於時間複雜度,我們一般使用大 O 表示法,它是一種體現演算法時間複雜度的計法,通俗來講,就是隨著問題規模的增長,演算法執行的指令數也在增長,時間複雜度越高,則執行時間增長越快。常見的演算法時間複雜度由好到壞依次為: Ο(1) < Ο(log2n) < Ο(n) < Ο(nlog2n) < Ο(n^2) < Ο(n^3) < … < Ο(2^n) < Ο(n!) ,一個優秀的演算法,自然少不了對低時間複雜度的追求。
但是我們也不能自然也不能忽略空間複雜度,也就是隨著問題規模的增長,計算過程中所需要的儲存空間增長的速度(增長率),其計算方式與時間複雜度類似。時間複雜度和空間複雜度是息息相關的兩個概念,隨著計算機空間越拉越大,不少的演算法傾向於以空間換時間,這也是取捨的策略。