从第一个元素开始,该元素可以认为已经被排序
取出下一个元素,在已经排序的元素序列中从后向前扫描
如果该元素(已排序)大于新元素,将该元素移到下一位置
重复步骤3,直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置
将新元素插入到该位置后
重复步骤2~5
在这个基础上有衍生出提高效率的二分插入排序
比较相邻的元素。如果第一个比第二个大,就交换他们两个。
对每一对相邻元素作同样的工作,从开始第一对到结尾的最后一对。这步做完后,最后的元素会是最大的数。
针对所有的元素重复以上的步骤,除了最后一个。
持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤,直到没有任何一对数字需要比较。
最简单的排序,名字很形象,排序元素会呈现上浮或者下沉的特点,
3.希尔排序
先取一个正整数 d1(d1 < n),把全部记录分成 d1 个组,所有距离为 d1 的倍数的记录看成一组,然后在各组内进行插入排序
然后取 d2(d2 < d1)
重复上述分组和排序操作;直到取 di = 1(i >= 1) 位置,即所有记录成为一个组,最后对这个组进行插入排序。一般选 d1 约为 n/2,d2 为 d1 /2, d3 为 d2/2 ,…, di = 1。
希尔排序是基于插入排序的以下两点性质而提出改进方法的:
插入排序在对几乎已经排好序的数据操作时, 效率高, 即可以达到线性排序的效率
但插入排序一般来说是低效的, 因为插入排序每次只能将数据移动一位
4.堆排序
堆的特点
通常堆是通过一维数组来实现的。在数组起始位置为0的情形中:
父节点i的左子节点在位置(2*i+1);
父节点i的右子节点在位置(2*i+2);
子节点i的父节点在位置floor((i-1)/2);
在堆的数据结构中,堆中的最大值总是位于根节点(在优先队列中使用堆的话堆中的最小值位于根节点)。堆中定义以下几种操作:
最大堆调整(Max_Heapify):将堆的末端子节点作调整,使得子节点永远小于父节点
创建最大堆(Build_Max_Heap):将堆所有数据重新排序
堆排序(HeapSort):移除位在第一个数据的根节点,并做最大堆调整的递归运算
迭代法
申请空间,使其大小为两个已经排序序列之和,该空间用来存放合并后的序列
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到合并空间,并移动指针到下一位置
重复步骤3直到某一指针到达序列尾
将另一序列剩下的所有元素直接复制到合并序列尾
递归法
原理如下(假设序列共有n个元素):
将序列每相邻两个数字进行归并操作,形成 {\displaystyle floor(n/2)} floor(n/2)个序列,排序后每个序列包含两个元素
将上述序列再次归并,形成 {\displaystyle floor(n/4)} floor(n/4)个序列,每个序列包含四个元素
重复步骤2,直到所有元素排序完毕
从数列中挑出一个元素,称为”基准”(pivot),
重新排序数列,所有元素比基准值小的摆放在基准前面,所有元素比基准值大的摆在基准的后面(相同的数可以到任一边)。在这个分区结束之后,该基准就处于数列的中间位置。这个称为分区(partition)操作。
递归地(recursive)把小于基准值元素的子数列和大于基准值元素的子数列排序。
少量数据
insertionSort正序数列:585031ns
insertionSort倒序数列:585886ns
insertionSort随机数列:392587ns
insertionSort周期数列:108196ns
bubbleSort正序数列:559372ns
bubbleSort倒序数列:1126442ns
bubbleSort随机数列:637633ns
bubbleSort周期数列:129152ns
shellSort正序数列:41055ns
shellSort倒序数列:79543ns
shellSort随机数列:124876ns
shellSort周期数列:41910ns
heapSort正序数列:112901ns
heapSort倒序数列:82109ns
heapSort随机数列:41055ns
heapSort周期数列:37206ns
mergeSort正序数列:116749ns
mergeSort倒序数列:127441ns
mergeSort随机数列:129152ns
mergeSort周期数列:71419ns
quickSort正序数列:45331ns
quickSort倒序数列:67569ns
quickSort随机数列:73984ns
quickSort周期数列:52601ns
大量数据
insertionSort正序数列:1527354269ns
insertionSort倒序数列:1545648468ns
insertionSort随机数列:1578804082ns
insertionSort周期数列:433450353ns
bubbleSort正序数列:543612833ns
bubbleSort倒序数列:1136154882ns
bubbleSort随机数列:3859670355ns
bubbleSort周期数列:541080691ns
shellSort正序数列:3903629ns
shellSort倒序数列:5970055ns
shellSort随机数列:6844181ns
shellSort周期数列:744119ns
heapSort正序数列:6524295ns
heapSort倒序数列:4414676ns
heapSort随机数列:8049738ns
heapSort周期数列:5399564ns
mergeSort正序数列:8257150ns
mergeSort倒序数列:3990015ns
mergeSort随机数列:7866274ns
mergeSort周期数列:4171341ns
quickSort正序数列:2582604ns
quickSort倒序数列:4825224ns
quickSort随机数列:7015242ns
quickSort周期数列:4657156ns
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class Sort{
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, SecurityException, IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException{
Sort s1 = new Sort();
System.out.println("少量数据");
int arraySize = 200;
s1.test("insertionSort",arraySize);
s1.test("bubbleSort",arraySize);
s1.test("shellSort",arraySize);
s1.test("heapSort",arraySize);
s1.test("mergeSort",arraySize);
s1.test("quickSort",arraySize);
System.out.println("大量数据");
arraySize = 50000;
s1.test("insertionSort",arraySize);
s1.test("bubbleSort",arraySize);
s1.test("shellSort",arraySize);
s1.test("heapSort",arraySize);
s1.test("mergeSort",arraySize);
s1.test("quickSort",arraySize);
}
//测试的脚手架
public void test(String methodName,int size) throws NoSuchMethodException, SecurityException, IllegalAccessException, IllegalArgumentException, InvocationTargetException{
Method m1 = this.getClass().getMethod(methodName,int[].class);
int[] test1 = new int[size];
int[] test2 = new int[size];
int[] test3 = new int[size];
int[] test4 = new int[size];
Sort sorttest = new Sort();
//正序
for(int i = 0; i < size;i++){
test1[i] = i;
}
//倒序
for(int i = 0; i < size;i++){
test2[i] = size - i;
}
//乱序,随机,基本无重复元素
for(int i = 0;i < size;i++){
test3[i] = (int) (Math.random() * size);
}
//大量重复元素
for(int i = 0; i < size;i++){
test4[i] = i + 50 % 50;
}
long startTime=System.nanoTime();
long endTime=System.nanoTime();
m1.invoke(sorttest, test1);
startTime = System.nanoTime();
m1.invoke(sorttest, test1);
endTime = System.nanoTime();
System.out.println(methodName +"正序数列:" +(endTime - startTime) + "ns");
startTime=System.nanoTime();
m1.invoke(sorttest, test2);
endTime=System.nanoTime();
System.out.println(methodName +"倒序数列:" +(endTime - startTime) + "ns");
startTime=System.nanoTime();
m1.invoke(sorttest, test3);
endTime=System.nanoTime();
System.out.println(methodName +"随机数列:" +(endTime - startTime) + "ns");
startTime=System.nanoTime();
m1.invoke(sorttest, test4);
endTime=System.nanoTime();
System.out.println(methodName +"周期数列:" +(endTime - startTime) + "ns");
System.out.println();
}
//插入排序,稳定排序
//插入排序由N-1趟排序组成,时间最好O(n),最坏O(n2),平均O(n2)
//空间O(1)
public void insertionSort(int[] nums){
int j,p;
int tmp;
for(p = 1;p < nums.length; p++){
tmp = nums[p];
for(j = p;j > 0;j--){
if(nums[j-1] > tmp)
nums[j] = nums[j-1];
}
nums[j] = tmp;
}
}
//冒泡排序,稳定排序
//时间最好O(n),最坏O(n2),平均O(n2)
//空间O(1)
public void bubbleSort(int[] nums){
int j,p;
int tmp;
//沉水,大数被移动到尾段
for(p = 0;p < nums.length - 1;p++){
for(j = 0;j < nums.length - 1 - p;j++){
if(nums[j] > nums[j+1]){
tmp = nums[j];
nums[j] = nums[j+1];
nums[j+1] = tmp;
}
}
}
// //气泡,小数浮动到首段
// for(p = 0; p < nums.length - 1;p++){
// for(j = nums.length - 1;j > p;j--){
// if(nums[j-1] > nums[j]){
// tmp = nums[j];
// nums[j] = nums[j-1];
// nums[j-1] = tmp;
// }
// }
// }
}
//希尔排序(缩小增量排序),不稳定排序
//属于插入排序,时间最好O(n),最坏O(n2),平均O(n1.3)
//空间O(1)
public void shellSort(int[] nums){
int gap = 1; //增量
int i,j;
int len = nums.length;
int tmp;
//初始增量,shell排序的效率与增量设定有很大关系
while(gap < len / 3)
gap = gap * 3 + 1;
for(;gap > 0;gap /= 3){
for (i = gap; i < len; i++) {
tmp = nums[i];
for (j = i - gap; j >= 0 && nums[j] > tmp; j -= gap)
nums[j + gap] = nums[j];
nums[j + gap] = tmp;
}
}
}
//堆排序,不稳定排序
//时间 平均2nlogn - O(nlogn)
//空间O(1)
//排序方式
// 创建一个堆H[0..n-1]
// 把堆首(最大值)和堆尾互换
// 把堆的尺寸缩小1,并调用shift_down(0),目的是把新的数组顶端数据调整到相应位置
// 重复步骤2,直到堆的尺寸为1
public void heapSort(int[] nums){
int i;
//遍历所有结点,对不满足规则节点进行调整
for(i = nums.length / 2;i >= 0;i--){
PercDown(nums, i,nums.length);
}
for(i= nums.length - 1;i > 0;i--){
int tmp = nums[0];
nums[0] = nums[i];
nums[i] = tmp;
PercDown(nums, 0, i);
}
}
//调整堆序
public void PercDown(int[] nums, int i, int length){
int child;
int tmp;
for(tmp = nums[i]; 2*i + 1 < length;i = child){
child = 2*i + 1; //左儿子
if(child != length - 1 && nums[child + 1] > nums[child])
child++; //选出左右子结点中的较大值
if (tmp < nums[child]) { //父节点小于子节点,需要进行调整
nums[i] = nums[child];
}
else
break;
}
nums[i] = tmp;
}
//归并排序
public void mergeSort(int[] nums){
int[] tmpArray = new int[nums.length];
mSort(nums,tmpArray,0,nums.length - 1);
}
public void mSort(int[] nums,int[] tmps,int left,int right){
int center;
if(left < right){
center = (left + right) / 2;
mSort(nums, tmps, left, center);
mSort(nums, tmps, center + 1, right);
merge(nums,tmps,left,center + 1,right);
}
}
//空间归并
public void merge(int[] nums,int[] tmps,int lpos,int rpos,int rightEnd){
int i,leftEnd,numElements,tmpPos;
leftEnd = rpos - 1;
tmpPos = lpos;
numElements = rightEnd - lpos + 1;
while(lpos <= leftEnd && rpos <= rightEnd){
if(nums[lpos] <= nums[rpos])
tmps[tmpPos++] = nums[lpos++];
else
tmps[tmpPos++] = nums[rpos++];
}
while(lpos <= leftEnd)
tmps[tmpPos++] = nums[lpos++];
while(rpos <= rightEnd)
tmps[tmpPos++] = nums[rpos++];
for(i = 0;i < numElements;i++,rightEnd--)
nums[rightEnd] = tmps[rightEnd];
}
//快速排序
//理论上能保证不出现最坏情况:三数中值分割法
//小规模排序,快速排序不如插入排序
public void quickSort(int[] nums){
qSort(nums,0,nums.length - 1);
}
//递归快速排序
public void qSort(int[] nums,int left,int right){
int i,j;
int pivot;
if(left + 3 <= right){ //至少有4个数
pivot = median3(nums, left, right);
i = left;
j = right - 1;
while(true){
//先推进索引再判断,而不是先判断再决定要不要推进索引
//这样避免了a[i]=a[j]=pivot,导致索引不会被推进,也不会跳出循环
while(nums[++i] < pivot){}
while(nums[--j] > pivot){}
if(i < j){
int tmp = nums[i];
nums[i] = nums[j];
nums[j] = tmp;
}
else
break;
}
int tmp = nums[i];
nums[i] = nums[right-1];
nums[right-1] = tmp;
qSort(nums, left, i - 1);
qSort(nums, i + 1, right);
}
//少于4个数,不再分割,用插入排序直接排序
else {
int k,p;
int tmp;
for(p = 1;p < right - left + 1; p++){
tmp = nums[left+p];
for(k = p;k > 0;k--){
if(nums[left+k-1] > tmp)
nums[left+k] = nums[left+k-1];
}
nums[left+k] = tmp;
}
}
}
//分割数组
public int median3(int[] nums,int left,int right){
int center = (left + right) / 2;
if(nums[left] > nums[center]){
int tmp = nums[left];
nums[left] = nums[center];
nums[center] = tmp;
}
if(nums[left] > nums[right]){
int tmp = nums[left];
nums[left] = nums[right];
nums[right] = tmp;
}
if(nums[center] > nums[right]){
int tmp = nums[center];
nums[center] = nums[right];
nums[right] = tmp;
}
int tmp = nums[center];
nums[center] = nums[right - 1];
nums[right - 1] = tmp;
return nums[right - 1];
}
}