图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]
常见的排序算法有冒泡排序、选择排序、插入排序、希尔排序、归并排序、快速排序、堆排序、桶排序、计数排序、基数排序等。其中最熟悉的是冒泡排序，记得笔者第一次接触冒泡排序还是2008年参加学校的ACM比赛之前学习的，其他排序基本都是在面试、考研等考试中遇到，最晚接触的是计数排序，是在2017年读研后上的《算法分析与设计》门课中接触。其中最熟悉的是冒泡排序，因为接触时间长，也最简单。其他的排序算法基本思想也了解一点，有些细节可能会有遗漏，最近在程序界流行一个词–“手撕”，下面先讲一下有关排序算法的性质，然后手撕这几种常见的排序算法。
专业术语说明
稳定：如果a原本在b前面，而a=b，排序之后a仍然在b的前面；
不稳定：如果a原本在b的前面，而a=b，排序之后a可能会出现在b的后面；
内排序：所有排序操作都在内存中完成；
外排序：由于数据太大，因此把数据放在磁盘中，而排序通过磁盘和内存的数据传输才能进行；
时间复杂度： 一个算法执行所耗费的时间。
空间复杂度：运行完一个程序所需内存的大小。
笔者发现平常最容易考察的就是排序算法对比,先将排序算法对比列表如下:
| 排序算法 | 平均时间复杂度 | 最好情况下时间复杂度 | 最坏情况下时间复杂度 | 空间复杂度 | 排序方式 | 稳定性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 冒泡排序 | O(n2) | O(n) | O(n2) | O(1) | in-place | 稳定 |
| 选择排序 | O(n2) | O(n2) | O(n2) | O(1) | in-place | 不稳定(每趟选择最小的和待插入位置互换) |
| 插入排序 | O(n2) | O(n) | O(n2) | O(1) | in-place | 稳定 |
| 希尔排序 | O(nlogn) | O(nlogn) | O(nlogn) | O(1) | in-place | 不稳定 |
| 归并排序 | O(nlogn) | O(nlogn) | O(nlogn) | O(1) | out-place | 稳定 |
| 快速排序 | O(nlogn) | O(nlogn) | O(n2) | O(logn) | in-place | 不稳定 |
| 堆排序 | O(nlogn) | O(nlogn) | O(nlogn) | O(1) | in-place | 不稳定 |
| 计数排序 | O(n+k) | O(n+k) | O(n+k) | O(k) | out-place | 稳定 |
| 桶排序 | O(n+k) | O(n+k) | O(n2) | O(n+k) | out-place | 稳定 |
| 基数排序 | O(n*k) | O(n*k) | O(n*k) | O(n+k) | out-place | 稳定 |
n: 数据规模 k:“桶”的个数 In-place: 占用常数内存，不占用额外内存 Out-place: 占用额外内存
图解10种排序算法:
1.冒泡排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第1张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/12dc688fe8964764bcd33702aa7044b2.gif)
2.选择排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第2张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/e10e14eb241640efaa61b106c2a8d6eb.gif)
3.插入排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第3张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/105dfebff8d54fc4b221ecb2fd542f55.gif)
4.希尔排序
5.归并排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第4张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/63aa74d5b3724622a2f43e08f9e744ac.gif)
6.快速排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第5张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/8b30293541dd4755a9d027e874833d67.gif)
7.堆排序
8.桶排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第6张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/fa7e1209c28e4ebcbac3e8f01ca61b43.jpg)
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第7张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/55b4db66293e4943a3e5489191e3505f.jpg)
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第8张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/41b29aed3aeb482593142e84447cce57.jpg)
9.计数排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第9张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/dab89f99478d4970a87c43cc55c5da9b.gif)
10.基数排序
![图解、手撕十大排序算法[思路清晰版]_第10张图片](http://img.e-com-net.com/image/info8/639afec4de47406a9cb3b305356209b7.gif)
package rank;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
public class CehRank {
//１.冒泡排序<时间复杂度Ｏ(n*n),空间复杂读Ｏ(n),稳定排序>
public static void bubbleSort(int[] data) {
int len = data.length;
int lastSwap = len;//记录最后一次交换的位置
for(int i = 0; i<len; i++) {
boolean hasSwap = false;
int sortBorder = lastSwap ;// 无序数列的边界，每次比较只需要比到这里为止
for(int j=1; j<sortBorder; j++) {
if(data[j]<data[j-1]) {
int tmp = data[j];
data[j] = data[j-1];
data[j-1] = tmp;
hasSwap = true;// 有元素交换
lastSwap = j;// 最后一次交换元素的位置
}
}
if(!hasSwap) {
break;//如果在这一趟内排序没有发生交换，说明数组已经有序，直接退出
}
}
}
//2.选择排序<时间复杂度Ｏ(n*n),空间复杂度Ｏ(n),不稳定排序>
public static void selectSort(int[] data) {
int len = data.length;
for(int i=0; i<len; i++) {
int min=i;
for(int j=i+1; j<len; j++) {
if(data[j]<data[min]) {
min = j;
}
}
int tmp = data[min];
data[min] = data[i];
data[i] = tmp;
}
}
//３.插入排序<时间复杂度Ｏ(n*n),空间复杂度Ｏ(1)，稳定排序>
public static void insertSort(int[] data) {
int len = data.length;
for(int i=1; i<len; i++) {//需要待插入的数
int value = data[i];//待插的数据
int j =0;//待插入的位置
for( j=i-1; j>=0; j--) {
if(value<data[j]) {
data[j+1] = data[j];
} else {
break;
}
}
data[j+1] = value;
}
}
//4、希尔排序:插入排序改进版<时间复杂度Ｏ(n*log(n)),空间复杂度Ｏ(1)，不稳定排序>
public static void hillSort(int[] data) {
int len = data.length;
int gap = 1;
while(gap<len/3) {
gap *= 3+1;
}
while(gap>0) {
for(int i=gap; i<len; i++) {
int currentIndex = i;
int pIndex = currentIndex - gap;
while(pIndex>=0) {
if( data[currentIndex]<data[pIndex] ) {
int tmp = data[currentIndex] ;
data[currentIndex] = data[pIndex];
data[pIndex] = tmp;
}
currentIndex = pIndex;
pIndex -= gap;
}
}
gap = (int)Math.floor(gap/3);
}
}
//5.归并排序<时间复杂度Ｏ(n*log(n)),空间复杂度Ｏ(n)，稳定排序>
public static void mergeSort(int[] data) {
divideMerge(data, 0, data.length-1);
}
//归并排序:分解
public static void divideMerge(int[] data, int start, int end) {
if(end<=start) {return;}
int mid = (start+end)/2;
divideMerge(data, start, mid);
divideMerge(data, mid+1, end);
merge(data, start, mid, end);
}
//归并排序:合并
private static void merge(int[] data, int start, int middle, int end) {
int len = data.length;
int[] temp = new int[len];
//复制要合并的数据
for(int i=start; i<= end; i++) {temp[i] =data[i];}
int left = start, right = middle+1;
for(int i= start; i<=end; i++) {
if(left>middle) {
//如果左边的首位下标大于中部下标，证明左边的数据已经排完了。
data[i] = temp[right++];
} else if(right>end) {
//如果右边的首位下标大于了数组长度，证明右边的数据已经排完了。
data[i] = temp[left++];
} else if(temp[right]<temp[left]) {
data[i] = temp[right++];//将右边的首位排入，然后右边的下标指针+1。
}else {
data[i]= temp[left++];//将右边的首位排入，然后右边的下标指针+1。
}
}
}
//6.快速排序：此处用递归实现，还可以考虑用栈操作替代递归实现<时间复杂度Ｏ(n*log(n)),空间复杂度Ｏ(log(n))，不稳定排序>
public static void quickSort(int start, int end, int[] data) {
if(start>= end) return;
int p = partion(start,end,data);
quickSort(start, p-1, data);
quickSort(p+1,end,data);
}
//快速排序:双边扫描
public static int partion(int start, int end, int[] data) {
int left = start, right = end, p = data[start] ;
while(left!=right) {
while(data[right]>p&&left<right) {
right--;
}
while(data[left]<=p&&left<right) {//”=“是为了保证排序算法的稳定性
left++;
}
if(left<right) {
int tmp = data[right];
data[right] = data[left];
data[left] = tmp;
}
}
data[start] = data[left];
data[left] = p;
return left;
}
//7.堆排序<时间复杂度Ｏ(n*log(n)),空间复杂度Ｏ(1)，不稳定排序>
public static void heapSort(int[] data) {
int len = data.length;
//构建堆
buildHeap(data, len);
for(int i=len-1; i>0; i--) {
int tmp = data[0];
data[0] = data[i];
data[i] = tmp;
len--;
sink(data, 0, len);
}
}
//建堆
private static void buildHeap(int[] data, int len) {
for(int i=len/2; i>=0; i--) {
sink(data, i, len);
}
}
//调整:保证堆为大顶堆
private static void sink(int[] data, int index, int len) {
int leftChild = 2 * index + 1;//左子节点下标
int rightChild = 2 * index + 2;//右子节点下标
int current = index;//要调整的节点下标
//下沉左边
if (leftChild < len && data[leftChild] > data[current]) {
current = leftChild;
}
//下沉右边
if (rightChild < len && data[rightChild] > data[current]) {
current = rightChild;
}
if(current!=index) {
int tmp = data[index];
data[index] = data[current];
data[current] = tmp;
//可能换下来的父节点比子节点小,所以继续下沉
sink(data, current, len);
}
}
///8.计数排序<时间复杂度Ｏ(n+k),空间复杂度Ｏ(n+k)，稳定排序>
public static void countSort(int[] data) {
int len = data.length;
int max=0, min=0;
for(int i=0; i<len; i++) {
if(max<data[i]) {max=data[i];}
if(min>data[i]) {min=data[i];}
}
int countLen = max-min+1;
int[] counts = new int[countLen];
for(int i=0; i<len; i++) {
counts[ data[i]-min ]++;
}
int index = 0;
for(int i=0; i<countLen; i++) {
while(counts[i]>0) {
data[index++] = i+ min;
counts[i]--;
}
}
}
//9.桶排序<时间复杂度Ｏ(n+k),空间复杂度Ｏ(n+k)，稳定排序>
public static void bucketSort(int[] data) {
int len = data.length;
int max=data[0],min=data[0];
for(int i=0; i<len; i++) {
if(max<data[i]) {max=data[i];}
if(min>data[i]) {min=data[i];}
}
int gap = max - min;
ArrayList<ArrayList<Integer>> buckets = new ArrayList<ArrayList<Integer>>();
for(int i=0; i<len; i++) {
buckets.add(new ArrayList<Integer>());
}
//每个桶大小,因为不一定会除尽,余下的全部放到最后一个桶中
int bucketSize = (int) Math.ceil((float)gap/ len);
if(bucketSize<1) bucketSize = 1;
//数据入桶
for(int i=0; i<len; i++) {
int index = (data[i]-min)/bucketSize ;
buckets.get(index).add(data[i]);
}
int index =0;
for(int i=0; i<len; i++) {
ArrayList<Integer> bucket = buckets.get(i);
if(bucket!=null&&bucket.size()!=0) {
Collections.sort(buckets.get(i));
for(int value:bucket) {
data[index++] = value;
}
}
}
}
//10.基数排序<时间复杂度Ｏ(n+k),空间复杂度Ｏ(n+k)，稳定排序>
public static void radixSort(int[] data) {
int len = data.length;
int max=data[0];
for(int i=0; i<len; i++) {
if(max<data[i]) {max=data[i];}
}
ArrayList<ArrayList<Integer>> buckets = new ArrayList<ArrayList<Integer>>();
for(int i=0; i<10; i++) {
buckets.add(new ArrayList<Integer>());
}
int radix = 1;//底数,找到待排数的相应位
while(true) {
if(max<radix) {break;}//当最大的数比底数小,表示所有的位已经排完
for(int i=0; i<len; i++) {
int index = (data[i]/radix)%10;
buckets.get(index).add(data[i]);
}
//将桶中的数写回
int index = 0;
for(int i=0; i<10; i++) {
for(int value:buckets.get(i)) {
data[index++] = value;
}
buckets.get(i).clear();
}
radix *= 10;
}
}
public static void print(int[] data) {
for(int i=0; i<data.length; i++) {
System.out.print(data[i]+"\t");
}
System.out.println();
}
public static void main(String[] args) {
int data[] = {912, 132, 182, 888, 218, 322, 511, 522, 533, 692,2, 22, 782,398, 999, 439 };
//int data[] = {6,4,2,4,1,5};
print(data);
//bubbleSort(data);
//selectSort(data);
//insertSort(data);
//hillSort(data);
//mergeSort(data);
//quickSort(0, data.length-1, data);
heapSort(data);
//countSort(data);
//bucketSort(data);
//radixSort(data);
print(data);
}
}